Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một bài báo mới trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia cung cấp thông tin chi tiết và những hiểu biết mới về việc trồng ngô, một trong những loại cây mang lại nguồn thu lớn nhất của Hoa Kỳ.

Nghiên cứu của một nhóm tại Đại học Kansas tập trung vào "sức sống lai", còn được gọi là "ưu thế lai", một hiện tượng nổi tiếng khi lai giữa các dòng ngô lai với các cây trồng khác tạo ra thế hệ con vượt trội hơn bố mẹ của chúng về năng suất, khả năng chống hạn và các phẩm chất mong muốn khác. Tuy nhiên, các cơ chế làm nền tảng cho ưu thế lai còn ít được hiểu rõ mặc dù đã có hơn một thế kỷ nghiên cứu chuyên sâu.

Nghiên cứu mới của PNAS xem xét mối quan hệ giữa ưu thế lai và vi sinh vật trong đất, cho thấy, trong hầu hết các trường hợp, ưu thế lai được tạo điều kiện bởi cộng đồng vi sinh vật.

Tác giả chính Maggie Wagner, trợ lý khoa học tại Trung tâm Nghiên cứu Sinh thái & Khảo sát Sinh học Kansas và Phó giáo sư của Khoa Sinh thái & Sinh học tiến hóa KU cho biết: "Ưu thế lai là cực kỳ quan trọng trong nông nghiệp bởi vì một trong những lý do giúp tăng năng suất cây trồng trong vài thập kỷ qua là việc sử dụng các giống cây lai, có xu hướng cho năng suất cao hơn nhiều và khỏe mạnh hơn so với các giống cây thuần chủng". "Dù chưa rõ điều này quan trọng như thế nào, nhưng chúng tôi vẫn chưa hiểu đầy đủ tại sao cây lai lại vượt trội hơn cây thuần chủng. Rất nhiều người tập trung vào sự di truyền của ưu thế lai, điều này có ý nghĩa bởi vì lai là một quá trình di truyền. Trong bài báo này, chúng tôi chỉ ra rằng vi sinh vật sống trong đất là một trong những yếu tố môi trường có ảnh hưởng thực sự quan trọng đến ưu thế lai. "

Trong một loạt các thí nghiệm, Wagner và các đồng tác giả của cô nhận thấy trong hầu hết các trường hợp, khi các dòng bố mẹ thuần chủng và con lai được lai tạo cùng trong điều kiện vô trùng, không có sự hiện diện của vi khuẩn - nhưng ưu thế lai "có thể được phục hồi bằng cách cấy vào một cộng đồng đơn giản gồm bảy chủng vi khuẩn. " Các nhà nghiên cứu cũng ghi nhận kết quả tương tự ở cây con được trồng trong "bùn đất hấp tiệt trùng so với đất tự nhiên trong buồng sinh trưởng, ở cây trồng mọc trong đất hấp hoặc hun khử trùng so với đất không được xử lý trên đồng ruộng."

Đồng tác giả của Wagner tại KU là Kayla Clouse và Laura Phillips. Các đồng tác giả khác là Clara Tang, Fernanda Salvato, Alexandria Bartlett, Simina Vintila, Manuel Kleiner, Mark Hoffmann, Shannon Sermons và Peter Balint-Kurti tại Đại học Bang North Carolina. Sermons và Balint-Kurti cũng làm việc với Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ.

Wagner cho biết: “Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, về cơ bản chúng tôi đã trồng cây bên trong túi nhựa để cung cấp một môi trường hoàn toàn vô trùng cho chúng ". "Điều đó cho phép chúng tôi kiểm soát hoàn toàn nếu có loại vi sinh nào đang tương tác với thực vật. Vì vậy, đó chỉ là một số vi sinh cơ bản, cùng với một loại môi trường sinh trưởng mới. Nhưng sau đó, chúng tôi đã thử một số cách tiếp cận khác nhau để khử trùng đất, bao gồm chỉ hun khử trùng bằng hơi nước, được sử dụng thường xuyên, đặc biệt là trong sản xuất rau quả. Nó không thực sự được sử dụng cho sự phát triển của ngô, nhưng đối với thí nghiệm này, chúng tôi đã làm điều đó rất hợp lý. Và chúng tôi cũng đã thử một số phương pháp hun khử trùng hóa học, và nhận được kết quả tương tự với tất cả các phương pháp đó. "

Trong thí nghiệm hấp đất tại Trạm thực địa KU - nơi tạm thời loại bỏ hoặc làm giảm vi khuẩn - các nhà nghiên cứu nhận thấy việc hấp làm "tăng hơn là giảm ưu thế lai, điều này cho thấy rằng hướng của tác động phụ thuộc vào thành phần cộng đồng, môi trường hoặc cả hai."

Wagner cho biết: “Nó phức tạp và chúng tôi chưa hiểu hết chuyện gì đang xảy ra”. "Ba thí nghiệm đầu tiên đều cho thấy cùng một hướng tác động. Nhưng sau đó đến thí nghiệm thứ tư, chúng tôi lại phát hiện ra rằng vi khuẩn ảnh hưởng đến ưu thế lai nhưng nó lại theo hướng ngược lại, khi con lai có phản ứng tích cực hơn với điều kiện vô trùng. Chúng tôi nghĩ rằng điều này có thể chỉ là do một số điều gì đó đặc biệt đối với cộng đồng vi sinh vật trong đất trong một thí nghiệm này, nhưng chúng tôi vẫn chưa chắc chắn. "

Bài báo mới sẽ được tiếp nối bằng nghiên cứu theo cùng một hướng được hỗ trợ bởi khoản tài trợ mới 900.000 đô la từ Quỹ Khoa học Quốc gia liên quan đến nhiều nhân sự giống nhau và Wagner đóng vai trò là một trong những nhà điều tra chính.

Công việc tài trợ sẽ theo ba hướng điều tra: thử nghiệm khả năng thúc đẩy sức sống lai ở ngô của một loạt vi khuẩn; tìm ra các biến thể di truyền và các vùng của bộ gen ngô phản ứng với các vi sinh vật trong đất; và nghiên cứu cách vi sinh vật hoạt động trong rễ của ngô lai và ngô lai ở cấp độ phân tử. Các nhà điều tra hy vọng công việc của họ có thể dẫn đến các kỹ thuật tốt hơn trong nông nghiệp và công tác bảo tồn giống.

Wagner cho biết: “Chúng tôi có quan sát rất cơ bản về các vi khuẩn ảnh hưởng đến ưu thế lai, nhưng chúng tôi không thể theo dõi nó nếu không có một số kinh phí - khoản tài trợ này sẽ thúc đẩy cùng một dòng nghiên cứu về phía trước”. "Các cộng tác viên của tôi là Manuel Kleiner tại N.C. State, một chuyên gia về siêu hình học, đó là một cách để đo lường sự biểu hiện protein của vi khuẩn bên trong rễ cây. Chúng tôi hy vọng sẽ tìm hiểu thêm về cách con lai và con lai tương tác với vi khuẩn một cách khác nhau, có thể thông qua ảnh hưởng đến hành vi của vi sinh vật. Cộng tác viên khác của chúng tôi là Peter Balint-Kurti với USDA. Anh ấy là chuyên gia về hệ thống miễn dịch ngô và cơ sở di truyền của khả năng kháng bệnh, vì vậy anh ấy sẽ lập bản đồ một số gen liên quan đến tương tác của giống lai với vi khuẩn. Tại Kansas, một sinh viên tốt nghiệp trong phòng thí nghiệm của tôi, Kayla Clouse, sẽ xem xét một số mô hình rộng hơn của hiện tượng này - ví dụ, chúng tôi chưa biết liệu tất cả các giống ngô lai có tương tác với vi khuẩn theo cùng một cách hay không. Cho đến nay, chúng tôi mới chỉ xác nhận điều này trong một lần lai, vì vậy chúng tôi cần tìm hiểu mức độ khái quát của nó - và chúng tôi cũng hy vọng tìm ra điều gì về cộng đồng vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến sự tương tác này theo cả hai hướng. Rất nhiều công việc thực hiện luận văn của cô ấy trong tương lai sẽ liên quan đến dự án này. "

Công việc dưới sự tài trợ của NSF sẽ tiếp tục đến năm 2024.

Theo: Maggie R. Wagner, Clara Tang, Fernanda Salvato, Kayla M. Clouse, Alexandria Bartlett, Simina Vintila, Laura Phillips, Shannon Sermons, Mark Hoffmann, Peter J. Balint-Kurti, Manuel Kleiner. Microbe-dependent heterosis in maize. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (30): e2021965118 DOI: 10.1073/pnas.2021965118

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/07/210720150806.htm