Phân tích hoa của GmTA29b::BARNASE (T1) là hoa đơn tính, bao phấn bất dục đực và lá noãn cong so với hoa dại, GmTA29a::BARSTAR (T1) và GmTA29b::BARSTAR. Nguồn: Plant Biotechnology Journal (2023). DOI: 10.1111/pbi.14155.

Đậu tương (Glycine max) là một trong những loại cây trồng có tác động lớn nhất về mặt kinh tế và xã hội trên thế giới, cung cấp một tỷ lệ đáng kể tổng lượng protein cho động vật tiêu thụ trên quy mô toàn cầu và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất dầu và nhiên liệu sinh học. Vào năm 2022, ước tính khoảng 4,3 tỷ bushels đậu nành được sản xuất tại Hoa Kỳ, giảm gần 200 triệu bushels so với năm trước.         

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về nguồn thức ăn chăn nuôi từ đậu nành, USDA dự đoán diện tích đậu tương sẽ tăng 19,6% vào năm 2032. Nhân giống dòng đậu tương lai giúp tăng năng suất của loại cây trồng này, nhưng phần lớn vẫn chưa được khám phá.

Nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học Thực vật Donald Danforth và Đại học Cornell cung cấp một công nghệ then chốt để tạo ra sự lai chéo bắt buộc ở đậu tương. Nghiên cứu mới được công bố, “Việc đưa Barnase/barstar vào đậu tương tạo ra hệ thống bất dục đực để nhân giống lai” trên Tạp chí Plant Biotechnology, đã tiết lộ việc lai xa bắt buộc với các dòng Barnase/Barstar cung cấp một nguồn lực mới có thể được sử dụng để khuếch đại bộ hạt giống lai, cho phép thử nghiệm quy mô lớn về ưu thế lai ở cây trồng chính này.

Hiện tại, đậu nành có khả năng tự thụ phấn 99%, ngăn cản bất kỳ lợi ích nào từ việc lai tạo. Nhân giống lai để tăng sức sống các giống cây đã được sử dụng trong hơn một thế kỷ để tăng sản lượng nông nghiệp mà không yêu cầu đầu vào cao hơn. Mặc dù cách tiếp cận này đã mang lại một số lợi ích đáng kể nhất về năng suất cây trồng, nhưng các rào cản về giống đã hạn chế đậu tương thu được lợi ích từ các giống lai.

Đậu nành tạo những bông kín, tự thụ phấn trước khi nở hoa và do đó không dễ dàng cho việc lai xa. Điều này một phần là do những hạn chế của các phương pháp tiếp cận hiện tại, vốn đã không tạo ra được sự lai xa bắt buộc đáng tin cậy ở đậu tương.

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống bất dục đực nhân tạo Barnase/Barstar có thể được sử dụng ở đậu tương để sản xuất hạt giống lai. Bằng cách biểu hiện enzyme ribonuclease gây độc tế bào, Barnase, dưới tác động của promoter tapetum trong bao phấn đậu tương, họ có thể ngăn chặn hoàn toàn sự trưởng thành của phấn hoa, tạo ra những cây bất dục đực. Họ cũng chỉ ra rằng khả năng sinh sản có thể được duy trì ở thế hệ F1 của các dòng biểu hiện Barnase này khi chúng được lai với phấn hoa từ những thực vật biểu hiện chất ức chế Barnase, Barstar.

Tiến sỹ Patricia Baldrich cho biết:  "Điều quan trọng là chúng tôi nhận thấy rằng việc giải cứu thành công khả năng sinh sản của dòng bất dục phụ thuộc vào liều lượng của Barnase và Barstar. Khi Barnase và Barstar được biểu hiện dưới cùng sự điều hòa của promoter đặc hiệu tapetum, thế hệ con F1 vẫn duy trì dòng bất dục đực. Khi chúng tôi biểu hiện Barstar dưới sự điều hòa của môt promoter mạnh hơn thì chúng tôi đã có thể đạt được thành công trong việc giải cứu khả năng sinh sản của dòng bất dục đực ở thế hệ F1.

Công trình này chứng tỏ việc thực hiện thành công ứng dụng công nghệ sinh học để tạo ra con lai hữu thụ ở đậu tương. Căn cứ vào tầm quan trọng của đậu nành đối với nông nghiệp toàn cầu, những tiến bộ về năng suất đậu nành có tác động mang tính biến đổi và thúc đẩy nông nghiệp bền vững bằng cách cho phép nông dân tạo ra năng suất cao hơn trên diện tích hiện có.

Tiến sỹ Blake Meyers cho biết: “Đậu tương cải tiến là mục tiêu lâu dài của nông dân, nhà tạo giống cây trồng và các nhà khoa học. Những cải tiến có thể có tác động đáng kể và cũng mang lại lợi ích cho những loài thụ phấn".

"Công việc này là bước đầu tiên hướng tới phát triển hệ thống nhân giống lai cho đậu tương. Đậu tương thụ phấn chéo có khả năng tăng năng suất nhờ cái gọi là "sức sống lai", cung cấp thức ăn cho các loài thụ phấn và cho phép nông dân sản xuất nhiều đậu tương hơn trên diện tích đất ít hơn”.