“Devernalizers” mới có thể giúp nông dân chống lại biến đổi khí hậu, từng vụ một
Theo Viện Khoa học và Công nghệ Nara
28 tháng 3 năm 2025
Các nhà khoa học Nhật Bản đã phát hiện ra một loại phân tử mới gọi là devernalizers có thể làm chậm quá trình ra hoa ở thực vật mà không cần xử lý nhiệt. Bước đột phá này có thể giúp nông dân kiểm soát tốt hơn thời điểm ra hoa và cải thiện năng suất trước biến đổi khí hậu.
Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đang khám phá các hóa chất điều chỉnh thời điểm ra hoa, với mục tiêu cải thiện năng suất và khả năng phục hồi của cây trồng.
Khi biến đổi khí hậu ngày càng đe dọa đến an ninh lương thực toàn cầu, các nhà khoa học trên khắp thế giới đang tìm kiếm các phương pháp đáng tin cậy để tăng sản lượng cây trồng. Các kiểu thời tiết khó lường và sự thay đổi mùa vụ đang làm gián đoạn các chu kỳ canh tác truyền thống, khiến các công nghệ kiểm soát thời điểm sinh trưởng của cây trồng trở nên thiết yếu đối với nền nông nghiệp hiện đại.
Sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện môi trường, độ dài ngày (quang kỳ) và di truyền. Ra hoa là giai đoạn quan trọng trong vòng đời của cây trồng. Ở nhiều loài, quá trình này đòi hỏi phải tiếp xúc với thời tiết lạnh, được gọi là xuân hóa, trước khi ra hoa vào mùa xuân. Khi bắt đầu ra hoa, thực vật thường chuyển nguồn tài nguyên của chúng từ quá trình phát triển lá sang sản xuất hạt, làm giảm giá trị dinh dưỡng của cây trồng có lá.
Mặc dù các nhà nghiên cứu đã khám phá ra nhiều điều về cách thức ra hoa bắt đầu, nhưng các cơ chế tự nhiên có thể trì hoãn, tạm dừng hoặc đảo ngược quá trình chuyển đổi này - một quá trình được gọi là xuân hóa - vẫn chưa được hiểu rõ.
Hiểu và đảo ngược xuân hóa
Trong bối cảnh này, một nhóm nghiên cứu do Trợ lý Giáo sư Makoto Shirakawa của Viện Khoa học và Công nghệ Nara (NAIST), Nhật Bản đứng đầu đã nghiên cứu cơ sở phân tử của xuân hóa. Họ đã xác định được một lớp phân tử nhỏ mới gọi là tác nhân xuân hóa (DVR), có khả năng gây ra xuân hóa mà không cần xử lý nhiệt ở sinh vật mô hình Arabidopsis thaliana. Phát hiện của họ đã được công bố trên Tập 8 của Communications Biology vào ngày 22 tháng 1 năm 2025.
Công trình này được đồng sáng tác bởi Nana Otsuka, Ryoya Yamaguchi, Hikaru Sawa, Nobutoshi Yamaguchi và Toshiro Ito từ NAIST; Naoya Kadofusa, Nanako Kato và Ayato Sato từ Đại học Nagoya; và Yasuyuki Nomura và Atsushi J. Nagano từ Đại học Ryukoku.
Cây giống Arabidopsis thể hiện một phóng viên của chất ức chế ra hoa, FLOWERING LOCUS C (FLC). FLC, được hiển thị màu xanh lam ở đây, được biểu hiện mạnh mẽ trong các mô mạch. Nguồn: Makoto Shirakawa
Các nhà nghiên cứu đã sàng lọc hơn 16.000 hợp chất hóa học và phát hiện ra năm DVR kích hoạt lại biểu hiện của gen FLOWERING LOCUS C , một chất ức chế chính của quá trình ra hoa. Bằng cách giảm thiểu các sửa đổi động cụ thể đối với các gen của cây, các DVR này có thể trì hoãn quá trình ra hoa ngay cả sau khi xuân hóa được kích thích. Đáng chú ý là ba trong số các DVR này có chung hai đặc điểm cấu trúc quan trọng—một vùng giống hydantoin và một carbon giống spiro—được phát hiện là cần thiết cho hiệu ứng devernalizing.
DVR06: Một hợp chất đầy hứa hẹn cho nông nghiệp
Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã xác định được hợp chất DVR thứ sáu—có tên là DVR06—có cấu trúc đơn giản hơn nhưng vẫn giữ nguyên các đặc điểm chính đã đề cập ở trên. Kết quả thử nghiệm cho thấy cây được xử lý bằng DVR06 có hiện tượng ra hoa chậm mà không có tác dụng phụ bất lợi. Phân tích toàn bộ hệ gen cho thấy DVR06 ảnh hưởng đến một tập hợp gen cụ thể hơn so với devernalization do nhiệt, làm nổi bật tiềm năng điều hòa ra hoa của nó.
“Người ta đều biết rằng việc áp dụng xử lý nhiệt cho cây trồng ngoài đồng ruộng vừa tốn kém vừa tốn công sức. Vì vậy, tôi thực sự vui mừng khi chúng tôi phát hiện ra rằng DVR06 có tác dụng cụ thể hơn so với xử lý nhiệt. Đây là thời điểm mà tất cả thời gian chúng tôi dành cho việc sàng lọc cuối cùng đã được đền đáp!” Shirakawa chia sẻ.
Việc phát hiện ra DVR06 và các cơ chế của nó có thể mở đường cho các công nghệ nông nghiệp mới cho phép nông dân điều chỉnh hiệu quả thời gian ra hoa. Bằng cách trì hoãn việc ra hoa, các loại cây trồng có lá có thể duy trì chất lượng dinh dưỡng trong thời gian dài hơn, tăng năng suất và giảm lãng phí.
Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu cải thiện hiệu quả của DVR, như Ito nhận xét: "Chúng tôi sẽ tiến hành nghiên cứu sâu hơn để thay đổi cấu trúc của DVR nhằm phát triển các hợp chất có hoạt tính và độ đặc hiệu cao hơn. Chúng tôi hy vọng kết quả của các nghiên cứu này sẽ dẫn đến sự phát triển của các công nghệ mới để sản xuất lương thực ổn định trong bối cảnh môi trường toàn cầu biến động".
Tài liệu tham khảo: "Các phân tử nhỏ và phương pháp xử lý nhiệt đảo ngược quá trình xuân hóa thông qua biến đổi biểu sinh ở Arabidopsis" của Nana Otsuka, Ryoya Yamaguchi, Hikaru Sawa, Naoya Kadofusa, Nanako Kato, Yasuyuki Nomura, Nobutoshi Yamaguchi, Atsushi J. Nagano, Ayato Sato, Makoto Shirakawa và Toshiro Ito, ngày 22 tháng 1 năm 2025, Communications Biology.
DOI: 10.1038/s42003-025-07553-7
Nguồn tài trợ: Hiệp hội Xúc tiến Khoa học Nhật Bản, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản, Bộ Giáo dục, Văn hóa, Thể thao, Khoa học và Công nghệ khoa học, Nhật Bản, Quỹ khoa học Takeda, Viện khoa học và công nghệ Nara
