Với nhiệt độ toàn cầu tăng cao và quần thể sinh vật thụ phấngiảm dần, việc sản xuất lương thực ngày càng trở nên khó khăn đối với nhữngngười trồng trọt trên thế giới. Một nghiên cứu mới từ các nhà nghiên cứu tạiKhoa Sinh học Tế bào và Di truyền Phân tử của Đại học Maryland đã cung cấp cáinhìn sâu sắc về cách thực vật có hoa phát triển quả và hạt. “Việc hiểu rõ quátrình này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì các loại cây lương thực phổ biến -như lạc, ngô, gạo và dâu tây - đều là trái cây và hạt có nguồn gốc từ hoa,”Zhongchi Liu, tác giả cao cấp của nghiên cứu và là giáo sư Sinh học tế bào vàDi truyền phân tử, cho biết. "Việc biết cách thực vật 'quyết định' biếnmột phần hoa của chúng thành quả và hạt là điều quan trọng đối với nông nghiệpvà nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta".

Trong nghiên cứu, Liu và nhóm của bà đã nhắm mục tiêu đến việckhám phá cách thức thụ tinh - hoặc thụ phấn - kích hoạt một cây có hoa bắt đầuquá trình phát triển quả. Nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng có một hệ thống liênlạc nội tại chịu trách nhiệm cho việc truyền tín hiệu cho cây phát triển quả,nhưng họ không chắc chắn làm thế nào hệ thống đó đang được kích hoạt bằng cáchthụ tinh hoặc thụ phấn. Để tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng cơ chế thụphấn và phát triển quả bằng cách sử dụng cây dâu tây. Theo Liu, dâu tây đặcbiệt thích hợp với mô hình thụ tinh do cấu trúc và vị trí hạt độc đáo củachúng. “Là một loại quả 'từ trong ra ngoài', hạt dâu tây dễ thao tác và quansát hơn nhiều so với hạt của các loại quả khác như cà chua,” Liu giải thích."Điều này giúp chúng tôi dễ dàng xem hạt giống và trích xuất thông tin ditruyền từ chúng ở nhiều giai đoạn phát triển của cây."

Liu và nhóm của bà đã xác định được gen AGL62, mộtgen phổ biến ở tất cả các loài thực vật có hoa, là yếu tố kích hoạt sự tạo quảvà hạt của cây. Theo Liu, gen AGL62 kích thích sản xuất mộtloại hormone tăng trưởng thực vật thiết yếu được gọi là auxin. Khi gen được kíchhoạt, auxin sẽ được tổng hợp để thúc đẩy việc tạo ra lớp vỏ hạt, nội nhũ (phầncủa hạt cung cấp thức ăn cho phôi đang phát triển) và quả. Vai trò của auxintrong việc điều hòa sự phát triển của nội nhũ đặc biệt có ý nghĩa đối với cácnhà nghiên cứu, vì nó ảnh hưởng đến kích thước của hạt và sự mở rộng của quả.“Mức độ auxin có thể hạn chế mức độ phát triển của nội nhũ và lượng dinh dưỡngmà nội nhũ có thể tích lũy cho phôi,” Liu nói. "Nhiều auxin hơn có thể làmtăng kích thước hạt và kích thích quả mở rộng. Khi có ít auxin hơn, nội nhũkhông thể nuôi phôi một cách thích hợp và sẽ làm giảm năng suất cây trồng - quảnhỏ hơn hoặc bị biến dạng, không có giá trị thương mại."

Bằng cách sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR, Lei Guo, tácgiả đứng đầu, đã phá hủy thành công chức năng gen AGL62. Kết quả làcây dâu tây không thể phát triển quả và hạt, cho thấy vai trò quan trọng củagen AGL62 trong quá trình này.

Trong tự nhiên, quá trình thụ phấn thúc đẩy gen AGL62 kíchhoạt sản xuất auxin, một quá trình cần thiết cho sự phát triển hạt và quả tốiưu. Nhưng bằng cách xác định mối quan hệ giữa gen và hormone này, Liu và nhómcủa cô đã đặt nền tảng có thể cho phép các nhà nông nghiệp bật gen AGL62 bằngcách sử dụng công nghệ sinh học, bỏ qua hoàn toàn quá trình thụ phấn - nói cáchkhác, tạo ra trái trinh sản. Liu tin rằng những phát hiện này đặc biệt quantrọng vào thời điểm hiện tượng ấm lên toàn cầu đang ảnh hưởng đến sản xuấtlương thực trên toàn thế giới. “Nắng nóng khắc nghiệt giết chết cả các loài thụphấn và phấn hoa, vì vậy biến đổi khí hậu là một thách thức lớn mà chúng taphải vượt qua,” Liu nói. "Tìm hiểu thêm về gen AGL62 đãcho chúng ta cái nhìn mới về cách có khả năng tăng năng suất cây nông nghiệp,đặc biệt là những cây tạo nên nguồn cung cấp lương thực của chúng ta."