Tiê m năng nghiên cư u kha ng na y mâ m sơ m trên cây lu a nhă m ư ng pho vơ i biê n đô i khi hâ u ơ Viê t Nam Nguyê n Quô c Trung 1, Hoa ng Minh Chi nh 1, Chu Đư c Ha 2, Nguyê n Thi Hô ng 1, Dương Thanh Thu y 3, Lê Thi Hiên 2, Vũ Minh Thiết 4 1 Khoa Công nghê Sinh ho c, Ho c viê n Nông nghiê p Viê t Nam 2 Khoa Công nghê Nông nghiê p, Trươ ng Đa i ho c Công nghê, Đa i ho c Quô c gia Ha Nô i 3 Khoa Nông ho c, Trươ ng Đa i ho c Nông lâm Huế 4 Viê n Kỹ thuật Công nghê cao Nguyê n Tất Tha nh, Trươ ng Đa i ho c Nguyê n Tất Tha nh Na y mâ m sơ m trên cây (Pre-harvest sprouting - PHS) la mô t trong như ng yê u tô gây ta c đô ng xâ u đê n năng suâ t va châ t lươ ng ngu cô c trên toa n thê giơ i. Ba n châ t cu a hiê n tươ ng na y la do sư thay đô i vê nô ng đô hormone abscisic acid (ABA) va gibberellic acid (GA) trong phôi, tư đo ha t na y mâ m ngay trên cây me. Ca c chiê n lươ c cho n giô ng trên thê giơ i hiê n đang tâ p trung theo hươ ng tăng cươ ng sư hoa t đô ng cu a ca c gen liên quan đê n sinh tô ng hơ p ABA va ki m ha m GA, tư đo tăng cươ ng ti nh ngu nghỉ cu a ha t. Ta i Viê t Nam, ca c nha cho n giô ng cu ng đang bă t đâ u quan tâm đê n PHS đê gia i quyê t ba i toa n cho canh ta c lu a ư ng pho vơ i biê n đô i khi hâ u ta i ca c tỉnh miê n Trung va đa đa t đươ c như ng kê t qua bươ c đâ u. Hiê n tươ ng PHS ơ ngu cô c Lu lu t la mô t trong như ng yê u tô bâ t lơ i phi sinh ho c có ảnh hưởng nặng nề va toa n diện đê n nền sản xuâ t nông nghiệp, la mô t trong như ng nguyên nhân gây ra hiện tươ ng PHS [1]. PHS đươ c đi nh nghi a la hiện tươ ng ha t hoặc phôi bă t đâ u pha t triê n trươ c khi chu ng ta ch rơ i kho i cây me [2]. Đây la hiện tươ ng râ t phô biê n ở ca c loa i thư c vâ t bâ c cao, đươ c ghi nhâ n ở gâ n 100 loa i cây có hoa (thuô c 40 chi va 23 ho kha c nhau) [3, 4]. Đặc biệt, PHS xuâ t hiện trên nhiều loa i cây ngu cô c, điê n hi nh như lu a mi, lu a ma ch, ngô va lu a ga o ở hâ u hê t ca c khu vư c trên thê giơ i, gây thiệt ha i hàng ty USD mỗi năm [5] (hi nh 1).
Hi nh 1. Hiê n tươ ng PHS xa y ra ơ ca c loa i cây ngũ cô c. (A) lu a my, (B) lu a ma ch, (C) ngô va (D) lu a ga o. Ơ hâ u hê t ca c cây ngu cô c, cơ chê ngủ nghi của ha t (seed dormancy) đươ c chư ng minh có liên quan chặt chẽ tơ i qua tri nh mâ t nươ c xảy ra trong giai đoa n chín của ha t [6]. Khi đó, carbohydrate tích lu y ty lệ thuâ n vơ i lươ ng nươ c mâ t đi theo qua tri nh pha t triê n của ha t. Tuy nhiên, ca c trâ n mưa tra i mùa diê n ra có thê la điều kiện đê carbohyrate dư trư bi "ngâ m" nươ c, tư đó phôi pha t triê n ngay bên trong vo ha t khi co n trên cây (hi nh 2). Cu thê, điều kiện đô â m cao (do mưa liên tu c va ke o da i) ke m theo nhiệt đô cao xâm nhâ p qua lơ p vo đa pha vơ qua tri nh ngủ nghi của ha t ngu cô c thông qua sư thay đô i của ca c hormone, đặc biệt la ABA va GA [4, 6, 7].
Hi nh 2. Ca c điê u kiê n ngoa i ca nh thu c đâ y hiê n tươ ng PHS ơ cây ngũ cô c. Về mặt ly thuyê t, ABA la hormone liên quan trư c tiê p đê n qua tri nh ngủ nghi của ha t, trong khi GA thúc đâ y sư nảy mâ m của ha t va pha vơ tra ng tha i ngủ đông [8]. Ca c nghiên cư u trươ c đây đa chư ng minh ră ng ty lệ ABA/GA điều khiê n trư c tiê p qua tri nh chuyê n di ch giư a hai tra ng tha i nảy mâ m va phải nghi của ha t [4, 6-8]. Trong qua tri nh pha t triê n của ha t, việc tô ng hơ p ABA của cả cây me va trong nô i phôi đều ngăn cản PHS xảy ra, vi vâ y ty lệ ABA/GA luôn đươ c duy tri ở mư c cao nhă m duy tri tra ng tha i ngủ nghi của ha t ngu cô c [9]. Tuy nhiên, kích thích của ca c bâ t lơ i phi sinh ho c (mưa nhiều ke m nhiệt đô ) đa hoa t hóa biê u hiện của mô t sô gen điều ho a, thu c đâ y qua tri nh tô ng hơ p GA, dâ n đê n sư mâ t cân bă ng ty lệ ABA/GA. Bên ca nh đó, hoa t đô ng của ca c enzym thủy phân cu ng đươ c tăng cươ ng, đặc biệt la α-amlyase (gâ p 20-40 lâ n), tư đó la m bô t ngu cô c trở nên xô p, dính va mâ t ma u, giảm gia tri kinh tê của ha t 20-50% [10] Đê n nay, cơ chê điều ho a qua tri nh ngủ nghi va nảy mâ m ở ha t ngu cô c thông qua con đươ ng tín hiệu giư a ca c hormone vâ n chưa hoa n toa n đươ c la m sa ng to. Ví du, Yan va Chen (2020) [9] đa tóm lươ c ca c nghiên cư u trươ c đây va chi ra ră ng, ethylene la hormone ít hoa t đô ng trong giai đoa n ngủ nghi của ha t, nhưng có xu hươ ng hoa t đô ng ma nh khi ha t tiê p xu c vơ i nươ c va bă t đâ u nảy mâ m. Tương tư như GA, ethylene có ta c du ng đô i nghi ch vơ i ABA, tuy nhiên vâ n co n thiê u bă ng chư ng cho thâ y việc sản xuâ t ethylene đươ c tăng cươ ng ở giai đoa n na o khi ha t lu a nảy mâ m. Ngoa i ra, mô t sô yê u tô di truyền liên quan đê n đặc tính giô ng như khả năng kha ng PHS, tính thâ m của vo ha t, giai đoa n trưởng tha nh của ha t va ca c đặc tính nông sinh ho c kha c cu ng ảnh hưởng đê n qua tri nh PHS [10].
Chiê n lươ c nghiên cư u va cho n ta o giô ng cây ngu cô c kha ng la i hiê n tươ ng PHS Đê n nay, có hai chiê n lươ c kha ng PHS trên ngu cô c đa đươ c chư ng minh la hiệu quả [5]. Thư nhất, kiê m soa t cơ chê tín hiệu GA kích thích nảy mâ m [5]. Nelson va cô ng sư (2017) [11] đa tiê n ha nh so sa nh mư c đô phiên ma toa n hệ gen trên mâ u ha t khô của ca c do ng đô t biê n sleepy1-2 so vơ i đô i chư ng Arabidopsis thaliana no i sinh tha i Landsberg erecta (Ler). Trong đó, gen SLEEPY1 (SLY1) ma hóa cho tiê u phâ n F-box của E3 ubiquitin ligase SCF, mô t enzym có vai tro trong phản ư ng hi nh tha nh phư c hơ p GID1-GA-DELLA, gây đô t biê n mâ t đoa n trên gen SLY1 có thê la m tích lu y qua mư c DELLA, tư đó la m giảm khả năng ngủ nghi của ha t, vi vâ y chu ng có thê đóng vai tro kha ng PHS [11]. Thư hai, tăng cươ ng khả năng ngủ nghi của ha t thông qua củng cô qua tri nh sinh tô ng hơ p va chu tri nh tín hiệu ABA [5]. Cu thê, tăng cươ ng biê u hiện của ca c gen liên quan đê n qua tri nh sinh tô ng hơ p ABA có thê mang đê n tiềm năng tăng cươ ng tính ngủ nghi của ha t va kha ng PHS [5, 12]. Mô t sô gen có vai tro trong sinh tô ng hơ p ABA nô i sinh ở ha t đươ c điều ho a lu c di ch ma [12]. Ví du, mô t bươ c quan tro ng trong sinh tô ng hơ p ABA ở thư c vâ t bâ c cao la phản ư ng phân că t ôxy hóa cis-epoxycarotenoids dươ i sư tham gia của 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) [5, 13]. Biê u hiện qua mư c gen PtNCED1 kích thích sản sinh ABA nô i sinh trong ha t của loa i Phaius tankervilliae, tư đó tăng cươ ng khả năng nảy mâ m [5, 13]. Trong di hóa, gen CYP707A ma hóa cho enzym ABA 8 -hydrolase, nhơ đó qua tri nh hydroxyl hóa của ABA ở vi trí 8' đươ c xảy ra. Như ng kê t quả na y đa chi ra ră ng biê u hiện của gen NCED va CYP707A có thê đóng vai tro quan tro ng trong điều ho a ABA nô i sinh trong ha t khi ngủ nghi [14]. Trong khi đó, ca c gen kha c liên quan đê n con đươ ng tín hiệu ABA la i chủ yê u đươ c điều ho a sau di ch ma [12]. ABI5 la mô t tha nh viên của ho nhân tô phiên ma bzip đóng vai tro thiê t yê u trong điều ho a qua tri nh nảy mâ m của ha t va sinh trưởng của cây non giai đoa n sơ m. Sư cảm nhâ n tín hiệu ABA ở thư c vâ t chủ yê u phu thuô c va o ca c tín hiệu, vơ i hoa t đô ng của thu thê PYR/PYL/RCAR, yê u tô điều ho a âm tính PPC (phosphatase 2C) va yê u tô điều ho a dương tính SnRK2. Khi không có mặt ABA, PP2C ba m va o SnRK2 đê loa i bo gô c phosphate (PO4 3- ), dâ n đê n SnRK2 không thê thư c hiện qua tri nh phosphoryl hóa ca c cơ châ t tiê p theo trong chuỗi dâ n truyền tín hiệu. Khi có mặt ABA, thu thê PYR/PYL/RCAR5 ba m va o ABA va tương ta c vơ i PP2C đê bă t đâ u qua tri nh phosphoryl hóa va gă n gô c phosphate cho SnRK2 đê tiê p tu c thư c hiện phản ư ng phosphoryl hóa cho ca c cơ châ t kê sau trong chuỗi dâ n truyền điện tư. ABI5 có chư c năng trong cảm nhâ n tín hiệu ABA thông qua điều ho a sư biê u hiện của ca c gen mang yê u tô cis- đa p ư ng vơ i ABA (ABRE) trên vùng promoter của chu ng. Hơn nư a, ABI5 cu ng có thê đươ c điều ho a bởi nitric oxide (NO) [12]. Qua tri nh na y cu ng mang la i như ng tiềm năng trong ngăn chặn PHS, đô ng thơ i phu c hô i khả năng nảy mâ m ha t tư như ng cây kha ng PHS bởi vi NO cu ng kích thích sư nảy mâ m [5]. Có thê thâ y ră ng, như ng kê t quả đa t đươ c trong việc ti m hiê u bản châ t của cơ chê ngủ nghi va nảy mâ m ở thư c vâ t về cơ bản đa să n sa ng cho việc a p du ng va o sản xuâ t. Tuy nhiên, ca c cơ chê na y ở tư ng loa i ngu cô c vâ n râ t kha c nhau. Ca c đa nh gia châ t chuyê n hóa kê t hơ p vơ i phân tích hệ protein va hệ phiên ma vâ n câ n phải đươ c tiê n ha nh trên giô ng mâ n cảm va kha ng PHS ở ca c cây ngu cô c. Mô t sô kê t qua nghiên cư u vê kha ng na y mâ m sơ m trên lu a ơ Viê t Nam Như ng năm gâ n đây, mưa to bâ t thươ ng gây ngâ p u ng la i thươ ng rơi đu ng va o thơ i điê m chuâ n bi thu hoa ch ở cả hai vu lu a đông xuân va he thu ta i miền Trung nói chung, ti nh Thư a Thiên - Huê nói riêng. Nê u đơ i chín, lu a sẽ nảy mâ m vi ngâ p u ng lâu nga y, co n thu hoa ch lu c xanh thi công gặt lu a cao gâ p 2
lâ n so vơ i bi nh thươ ng, trong khi gia lu a ba n ra thi trươ ng giảm 25-30%. Trươ c thư c tê đó, mô t sô nghiên cư u thăm do đa đươ c nhóm nghiên cư u ta i Khoa Công nghệ Sinh ho c, Ho c viện Nông nghiệp Việt Nam va Khoa Nông ho c, Trươ ng Đa i ho c Nông lâm Huê triê n khai. Khảo sa t cơ câ u lu a ta i ti nh Thư a Thiên - Huê cho thâ y, trong ca c giô ng lu a canh ta c đa i tra ta i đi a phương hiện nay hiện tươ ng PHS xảy ra tương đô i phô biê n. Đa ng chu y, mô t sô giô ng lu a bản đi a trong vùng, điê n hi nh như Chiêm Tây thê hiện tính kha ng PHS râ t tô t. Nhóm nghiên cư u đa cho n ta o va pha t triê n 4 dòng lai trở la i câ n giao ta i tô hơ p (backcross recombinant-inbred line, BIL) kha ng PHS trên nền di truyền của giô ng Khang Dân 18 (KD18). Trong đó, locus tính tra ng sô lươ ng (QTL) qpsr7 đa đươ c xa c đi nh nă m gâ n chi thi R34C6 trên nhiê m să c thê sô 7 liên kê t chặt vơ i sư phân ly ty lệ nảy mâ m; trong đó alen tư giô ng lu a indica TSC3 la m tăng va alen tư giô ng lu a KD18 la m giảm khả năng kha ng nảy mâ m trươ c gặt. Thí nghiệm mô pho ng hiện tươ ng PHS trong điều kiện nhân ta o (ngâm bông lu a va o châ u nươ c ở nhiệt đô pho ng có chiê u sa ng ở cươ ng đô 4000 lux, 12h sa ng/12h tô i) cho thâ y, ca c do ng lu a cải tiê n mang QTL qpsr7 có ty lệ nảy mâ m thâ p (<10%) sau 10 nga y xư ly. Như vâ y, có thê thâ y ră ng, tích hơ p QTL qpsr7 đa ha n chê hiện tươ ng PHS trong điều kiện nhân ta o. Đa nh gia sơ bô 4 do ng cải tiê n BIL mang QTL qpsr7 cho thâ y, chu ng có đặc tính nông sinh ho c chính va ca c yê u tô câ u tha nh năng suâ t ở mư c tương đương so vơ i giô ng nền KD18. Trong khảo nghiệm ta i Thủy Châu, thi xa Hương Thủy, ti nh Thư a Thiên - Huê, ca c do ng có thơ i gian sinh trưởng ngă n, ít hơn 110 nga y (vu xuân) va 104-105 nga y (vu mùa). Cây có da ng hi nh đe p, thâ p cây (cao 110-115 cm), sư c sô ng tô t, đô da i giai đoa n trỗ va đô cư ng cây đều đa t điê m 5, đô thoa t cô bông va đô ta n la lâ n lươ t đa t điê m 1 va 3. Theo do i trong hai vu cho thâ y, năng suâ t thư c thu của ca c do ng kha ng PHS ở mư c tương đương KD18, đa t khoảng 63,0 ta /ha (vu xuân) va 61,7 ta /ha (vu mùa). Hiện nay, ca c do ng lu a đang tiê p tu c đươ c triê n khai trên đô ng ruô ng nhă m theo do i tính ô n đi nh, năng suâ t thư c thu, phản ư ng kha ng/nhiê m vơ i sâu bệnh ha i va châ t lươ ng của cơm. Như ng kê t quả na y la tín hiệu tích cư c cho việc pha t triê n ca c do ng lu a KD18 cải tiê n kha ng PHS ta i như ng khu vư c thươ ng xuyên chi u ảnh hưởng của hiện tươ ng mưa lơ n ke o da i tra i mùa. Thay lơ i kê t Có thê thâ y ră ng, Việt Nam nă m trong khu vư c chi u ảnh hưởng nặng nề của biê n đô i khí hâ u. Kiê u thơ i tiê t mưa tra i mùa bâ t thươ ng xảy ra ta i ca c ti nh miền Trung la điều kiện thuâ n lơ i cho hiện tươ ng PHS. Mặc dù thiệt ha i của PHS đê n sản xuâ t lu a ga o ở miền Trung không qua nặng nề nhưng ro ra ng nó la m giảm châ t lươ ng của lu a ga o nói riêng va ca c ha t ngu cô c nói chung. Vi vâ y, cải thiện tính kha ng PHS cho cơ câ u giô ng lu a canh ta c phô biê n ta i ca c ti nh miền Trung đươ c xem la mô t ba i toa n trong tương lai. Mô t sô y tưởng của ca c nha khoa ho c trên thê giơ i la xư ly hóa châ t trên đô ng ruô ng, như phun ABA, đê kiê m soa t hiện tươ ng PHS [12]. Điều na y la có thê thư c hiện đươ c nhưng không khả thi ở Việt Nam. Chiê n lươ c tăng cươ ng ABA nô i sinh trong ha t thông qua chi nh sư a chính xa c ca c gen sinh tô ng hơ p va liên quan đê n dâ n truyền tín hiệu phu thuô c ABA vâ n đang đươ c thê giơ i tâ p trung nghiên cư u [5]. Vi vâ y, việc sư du ng ca c QTL kha ng PHS như qpsr7 đô ng thơ i vơ i pha t hiện ca c gen/qtl kha c trong nguô n gen cây lu a bản đi a đê ư ng du ng trong việc cải tiê n bô giô ng lu a trô ng la hươ ng đi có tính hiệu quả cao va bền vư ng. Mô t sô kê t quả bươ c đâ u của nhóm nghiên cư u trong 123 giô ng lu a bản đi a đa pha t hiện 80 giô ng có ty lệ PHS 10 nga y râ t thâ p (<5,4%). Đây la đặc tính râ t quy đươ c giư la i ở ca c giô ng lu a đi a phương của Việt Nam câ n đươ c nghiên cư u va khai tha c.
Tóm la i, đê ư ng phó vơ i điều kiện thơ i tiê t nga y ca ng bâ t thươ ng va khó dư ba o, công ta c cho n ta o giô ng lu a cho ca c ti nh miền Trung câ n tâ p trung nâng cao khả năng kha ng PHS của giô ng khi bi mưa ba o, ngâ p lu t da i nga y. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E. Kirezci, et al. (2020), "Projections of global - scale extreme sea levels and resulting episodic coastal flooding over the 21st century", Sci. Rep., 10, p.11629. [2] J.M. Vetch, et al. (2019), "Review: revealing the genetic mechanisms of pre-harvest sprouting in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.)", Plant Sci., 281, pp.180-185. [3] M. Yao, et al. (2020), "Methyltransferase1 and ripening modulate vivipary during tomato fruit development", Plant Physiol., 183, pp.1883-1897. [4] A. Ali, et al. (2019), "Unraveling molecular and genetic studies of wheat (Triticum aestivum L.) resistance against factors causing pre-harvest sprouting", Agronomy, 9(3), DOI: 10.3390/agronomy9030117. [5] H. Nonogaki, et al. (2018), "Editorial: seed dormancy, germination, and pre-harvest sprouting", Front. Plant Sci., 9, p.1783. [6] S. Nakamura (2018), "Grain dormancy genes responsible for preventing pre-harvest sprouting in barley and wheat", Breed Sci., 68, pp.295-304. [7] P.A. Tuan, et al. (2018), "Molecular mechanisms underlying abscisic acid/gibberellin balance in the control of seed dormancy and germination in cereals", Front Plant Sci., 9, DOI: 10.3389/fpls.2018.00668. [8] L. Du, et al. (2018), "Endosperm sugar accumulation caused by mutation of PHS8/ISA1 leads to pre-harvest sprouting in rice", Plant J., 95, pp.545-556. [9] A. Yan, Z. Chen (2020), "The control of seed dormancy and germination by temperature, light and nitrate", Bot. Rev., 86, pp.39-75. [10] H. Olaerts, C.M. Courtin (2018), "Impact of preharvest sprouting on endogenous hydrolases and technological quality of wheat and bread: a review", Compr. Rev. Food Sci. Food Saf., 17, pp.698-713. [11] S.K. Nelson, et al. (2017), "Biology in the dry seed: transcriptome changes associated with dry seed dormancy and dormancy loss in the Arabidopsis GA-insensitive sleepy1-2 mutant", Front Plant Sci., 8, DOI: 10.3389/fpls.2017.02158. [12] M. Nonogaki, H. Nonogaki (2017), "Prevention of preharvest sprouting through hormone engineering and germination recovery by chemical biology", Front Plant Sci., 8, DOI: 10.3389/fpls.2017.00090. [13] H. Nonogaki (2017), "Seed biology updates - highlights and new discoveries in seed dormancy and germination research", Front Plant Sci., 8, DOI: 10.3389/fpls.2017.00524. [14] S. Ali, et al. (2020), "Implications of abscisic acid in the drought stress tolerance of plants", Agronomy, 10(9), DOI: 10.3390/agronomy10091323.