Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cùng một cơ chế di truyền điều khiển thời điểm cây ra hoa và củ (phần ăn được) cũng đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý nitơ cho cây. Phát hiện này, được công bố ngày 6 tháng 11 trên tạp chí New Phytologist, có thể dẫn tới phát triển các giống khoai tây cần ít phân bón hơn, giúp nông dân tiết kiệm chi phí và giảm tác động môi trường của việc trồng khoai tây.

Nguồn gốc của khoai tây từ dãy Andes cho thấy cây ban đầu chỉ hình thành củ vào mùa đông như cách tích trữ chất dinh dưỡng nhờ sự ngắn lại của ngày. Khi được du nhập sang châu Âu vào thế kỷ 16, khoai tây đối mặt với thách thức nghiêm trọng: ngày ngắn hơn và nhiệt độ đóng băng có thể làm cây chết trước khi củ đủ lớn để thu hoạch.

Đột biến tự nhiên ở gen StCDF1, gen điều khiển sự phát triển củ, đã giúp khoai tây thích nghi và phát triển củ ở mọi lúc và ở những vùng phía bắc xa hơn. Cây khoai tây giờ không còn phải phụ thuộc vào tín hiệu theo mùa nữa.

Các nhà nghiên cứu phân tích StCDF1 để hiểu cách nó điều chỉnh phản ứng của cây với chu kỳ ánh sáng ban ngày và nhận thấy nó hoạt động như một công tắc: kích hoạt một nhóm gen, đồng thời tắt đi một số gen khác. Tuy nhiên, họ rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng nó có thể bật và tắt các gen thiết yếu cho quá trình hấp thụ nitơ. Theo Maroof Ahmed Shaikh, nhà sinh học phân tử thực vật tại Trung tâm Nghiên cứu Hệ gen Nông nghiệp ở Barcelona, StCDF1 còn làm giảm sản xuất một enzyme có tên nitrate reductase - enzyme phân giải nitrat thành các dạng cây có thể sử dụng được.

Phát hiện này cho thấy cách điều chỉnh gen có thể biến khoai tây thành loại lương thực phổ biến toàn cầu nhưng đồng thời khiến cây trồng này cần nhiều phân bón hơn. Để kiểm tra xem chỉnh sửa gen có ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ nitơ hay không, các nhà khoa học đã trồng khoai tây mang gen StCDF1 bị vô hiệu hóa trong môi trường có nitơ rất thấp, chỉ khoảng 400 lần so với đất thông thường và so sánh sự phát triển với khoai tây bình thường. Khi bị mất gen StCDF1, cây không thể hình thành củ, nhưng lá trở nên to hơn và rễ dài hơn dù thiếu nitơ.

Nhóm nghiên cứu cho rằng các giống lúa mì vùng Andes có thể có phiên bản StCDF1 hoạt động kém hơn và có thể phát triển tốt hơn với lượng nitơ ít hơn.

Tuy nhiên, dạng hoạt động mạnh mẽ của StCDF1 hiện có ở hầu hết các giống khoai tây thương mại trên toàn thế giới. Như vậy, nhược điểm là cây trồng chủ lực này hấp thụ nitơ kém, khiến nông dân phải dùng nhiều phân bón hơn mức cây có thể hấp thụ. Khi trời mưa, lượng phân bón dư thừa có thể ngấm xuống nước ngầm và gây ô nhiễm.

Phát hiện này mở ra cơ hội phát triển các giống khoai tây có hiệu quả sử dụng nitơ cao hơn. Các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen để điều chỉnh gen sao cho enzyme khử nitrat không bị ức chế bởi StCDF1. Thí nghiệm hiện tại cho thấy, về mặt lý thuyết, điều này có thể thực hiện được. Tương tự, mục tiêu nhắm tới cũng có thể đạt được thông qua thuần hóa cây bằng lai giữa khoai tây nông trại với các giống hoang dã hoặc truyền thống có gen khử nitrat đã biến đổi tự nhiên.