CÔNG NGHỆ ĐIỀU CHỈNH VẬN CHUYỂN KALI GIÚP TĂNG NĂNG SUẤT CỦ SẮN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU HẠN

Một nghiên cứu quốc tế mới công bố trên tạp chí Nature Plants vào tháng 12/2025 đã mở ra hướng tiếp cận triển vọng trong cải thiện năng suất và khả năng chịu hạn của cây sắn (Manihot esculenta Crantz). Thông qua điều chỉnh hoạt động vận chuyển kali (K⁺) trong hệ thống mạch dẫn, các nhà khoa học đã nâng cao hiệu quả quang hợp, tăng khả năng vận chuyển đường từ lá về củ, qua đó cải thiện đáng kể năng suất và khả năng thích nghi của cây sắn trong điều kiện thiếu nước.

Sắn là cây trồng quan trọng đối với an ninh lương thực và phát triển kinh tế tại nhiều quốc gia nhiệt đới. Mặc dù có khả năng thích nghi với điều kiện đất nghèo dinh dưỡng và khí hậu bất lợi, năng suất sắn tại nhiều vùng sản xuất vẫn thấp hơn đáng kể so với tiềm năng. Trong đó, thiếu nước, dinh dưỡng hạn chế và hiệu quả vận chuyển các sản phẩm quang hợp từ lá về củ là những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tích lũy tinh bột và hình thành năng suất.

Xuất phát từ thực tế trên, Zierer và cộng sự (2025), thuộc nhóm nghiên cứu quốc tế tại Đức, Thụy Sĩ và Đài Loan, đã nghiên cứu khả năng cải thiện năng suất sắn thông qua điều chỉnh hoạt động của kênh vận chuyển kali trong mô mạch dẫn.

Nhóm nghiên cứu sử dụng công nghệ chuyển gen để đưa biến thể AKT2var, có nguồn gốc từ cây Arabidopsis thaliana, vào giống sắn TMS60444. Biến thể này có khả năng điều chỉnh sự vận chuyển ion K⁺ qua màng tế bào, góp phần tăng hiệu quả vận chuyển đường sucrose trong hệ thống mạch rây từ lá đến các cơ quan dự trữ, đặc biệt là củ sắn.

Các dòng sắn chuyển gen được đánh giá trong điều kiện nhà kính và khảo nghiệm đồng ruộng tại Đài Loan trong ba năm liên tiếp (2022–2024). Đồng thời, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật chụp cắt lớp phát xạ positron (PET) kết hợp đồng vị carbon phóng xạ để theo dõi tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp trong thân cây.

Kết quả cho thấy việc điều chỉnh kênh vận chuyển kali đã cải thiện rõ rệt hoạt động sinh lý và khả năng tích lũy vật chất của cây sắn. Tốc độ vận chuyển chất đồng hóa trong mạch rây ở hai dòng chuyển gen AKT2var-4261 và AKT2var-4262 lần lượt đạt 11,6 và 11,4 mm/phút, tăng 74,5% và 70,7% so với dòng đối chứng (6,7 mm/phút).

Bên cạnh đó, tốc độ đồng hóa CO₂ của các dòng chuyển gen tăng từ 77,3% đến 100% so với đối chứng, cho thấy khả năng quang hợp được cải thiện đáng kể.

Trong điều kiện nhà kính, các dòng sắn chuyển gen có sinh trưởng mạnh hơn, với khối lượng chất khô thân lá tăng từ 21,2% đến 34,0%. Đáng chú ý, khối lượng chất khô củ dự trữ tăng trên 55% so với cây đối chứng sau 19 tuần trồng.

Kết quả khảo nghiệm đồng ruộng trong ba năm tiếp tục khẳng định tác động tích cực của AKT2var đối với năng suất. Các dòng chuyển gen triển vọng có khối lượng củ tươi, tổng lượng chất khô tích lũy trong củ và chỉ số thu hoạch cao hơn đáng kể so với đối chứng. Đặc biệt, hàm lượng tinh bột trong củ của những dòng có biểu hiện tốt nhất tăng trên 50%.

Một kết quả quan trọng khác là khả năng chịu hạn của các dòng sắn chuyển gen được cải thiện rõ rệt. Trong thí nghiệm gây hạn kéo dài năm tuần, cây mang AKT2var vẫn duy trì khả năng sinh trưởng và phát triển củ tốt hơn so với đối chứng. Sau khi được tưới nước trở lại, khối lượng chất khô củ của các dòng chuyển gen cao hơn trên 100% so với cây đối chứng.

Phân tích sinh hóa cũng cho thấy cây chuyển gen có mức tích lũy proline và serine thấp hơn trong điều kiện hạn, phản ánh phản ứng stress sinh lý ít nghiêm trọng hơn. Đồng thời, hàm lượng đường sucrose trong một số mô thân và rễ tăng gần ba lần, góp phần duy trì quá trình trao đổi chất và tích lũy carbohydrate khi thiếu nước.

Theo nhóm tác giả, việc điều chỉnh hoạt động vận chuyển kali không chỉ tác động đến cân bằng ion trong cây mà còn cải thiện hiệu quả phân bố sản phẩm quang hợp từ cơ quan nguồn (lá) đến cơ quan chứa (củ). Đây được xem là một trong những cơ chế quan trọng giúp cây sắn tăng tích lũy tinh bột, nâng cao năng suất và thích nghi tốt hơn với điều kiện bất lợi.

Nghiên cứu đã mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học trong cải thiện năng suất và khả năng chịu hạn của cây sắn mà không cần tăng thêm lượng phân bón đầu vào. Tuy nhiên, kết quả hiện mới được xác nhận trên các dòng sắn chuyển gen trong điều kiện nghiên cứu và khảo nghiệm giới hạn. Việc ứng dụng vào sản xuất vẫn cần tiếp tục đánh giá trên các giống sắn thương mại, tại nhiều vùng sinh thái khác nhau, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về an toàn sinh học.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, hạn hán và chi phí vật tư nông nghiệp ngày càng ảnh hưởng đến sản xuất sắn, kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc phát triển các giống sắn có năng suất cao, sử dụng tài nguyên hiệu quả và thích nghi tốt hơn với điều kiện thiếu nước.

Th.S Nguyễn Thị Nhung - dịch và biên soạn

Nguồn: Zierer, W. và cộng sự (2025). Engineering vascular potassium transport increases yield and drought resilience of cassava. Nature Plants, 11, 2498–2510. DOI: 10.1038/s41477-025-02159-7.

Tham khảo tại: https://www.nature.com/articles/s41477-025-02159-7