Các nhà khoa học tiết lộ bí mật di truyền của cây ngập mặn chống chịu stress
- Thứ sáu - 19/11/2021 10:56
- In ra
- Đóng cửa sổ này
Một nghiên cứu mới phát hiện ra rằng cây ngập mặn sử dụng những thay đổi trong hoạt động gen, bao gồm hoạt động của "gen nhảy" ký sinh, để tăng khả năng chống chịu stress...
Một nghiên cứu mới phát hiện ra rằng cây ngập mặn sử dụng những thay đổi trong hoạt động gen, bao gồm hoạt động của "gen nhảy" ký sinh, để tăng khả năng chống chịu stress.
Cây ngập mặn nằm giữa ranh giới đất liền và đại dương, trong môi trường khắc nghiệt được đặc trưng bởi nồng độ mặn thay đổi nhanh chóng và lượng oxy thấp. Đối với hầu hết các loài thực vật, những điều kiện này sẽ làm cây khó có thể sống sót được, nhưng rừng ngập mặn đã phát triển một khả năng chống chịu đáng kể đối với những áp lực của những địa điểm khó khăn này.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã giải mã bộ gen của cây ngập mặn (Bruguiera gymnorhiza) và tiết lộ cách loài này điều chỉnh gen để đối phó với stress. Phát hiện của họ, được công bố gần đây trên tạp chí New Phytologist, một ngày nào đó có thể được sử dụng để giúp các loài thực vật khác có khả năng chống chịu với căng thẳng tốt hơn.
"Rừng ngập mặn là một hệ thống mô hình lý tưởng để nghiên cứu cơ chế phân tử đằng sau khả năng chống chịu stress, vì chúng đối phó với các yếu tố stress khác nhau", Tiến sĩ Matin Miryeganeh, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đơn vị Di truyền Thực vật tại OIST cho biết. Đây là một hệ sinh thái quan trọng đối với hành tinh, bảo vệ bờ biển khỏi bị xói mòn, lọc các chất ô nhiễm khỏi nước và là nơi ươm mầm cho cá và các loài khác. Chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc chống lại sự nóng lên toàn cầu, lưu trữ lượng carbon nhiều gấp bốn lần trong một khu vực nhất định như một khu rừng nhiệt đới. Bất chấp tầm quan trọng của chúng, rừng ngập mặn đang bị chặt phá với tốc độ chưa từng có, và do tác động của con người và nước biển dâng, rừng ngập mặn được dự báo sẽ biến mất trong vòng 100 năm tới. Và các nguồn tài nguyên gen có thể giúp các nhà khoa học cố gắng bảo tồn các hệ sinh thái này cho đến nay vẫn còn hạn chế.
Không giống như sự thích nghi tiến hóa lâu dài, liên quan đến những thay đổi di truyền, sự thích nghi với môi trường diễn ra trong vòng đời của một sinh vật xảy ra thông qua những thay đổi biểu sinh. Đây là những sửa đổi hóa học đối với DNA ảnh hưởng đến hoạt động của các gen khác nhau, điều chỉnh cách bộ gen đáp ứng với các kích thích môi trường. Các sinh vật như thực vật, không thể di chuyển đến một môi trường thoải mái hơn, chủ yếu dựa vào những thay đổi biểu sinh để tồn tại.
Trước khi tập trung vào cách thức điều chỉnh bộ gen, nhóm nghiên cứu đã phân tích DNA từ cây ngập mặn (Bruguiera gymnorhiza) và giải mã bộ gen của loài này. Họ nhận thấy bộ gen loài này chứa 309 triệu cặp bazơ, với khoảng 34403 gen (một bộ gen lớn hơn nhiều so với bộ gen của các loài cây ngập mặn đã biết khác). Kích thước lớn chủ yếu là do gần một nửa DNA được tạo thành từ các trình tự lặp lại. Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra loại DNA lặp lại, họ phát hiện ra rằng hơn 1/4 bộ gen bao gồm các yếu tố di truyền được gọi là transposon, hay 'gen nhảy'.
Giáo sư Saze giải thích: "Các gen nhảy hoạt động là các gen ký sinh có thể 'nhảy' vị trí trong bộ gen, giống như các chức năng cắt và dán hoặc sao chép và dán của máy tính. Khi càng nhiều bản sao của chúng được chèn vào bộ gen, DNA lặp lại có thể được tạo nên. "Gen nhảy là động lực lớn của sự tiến hóa bộ gen, tạo ra sự đa dạng di truyền, nhưng chúng là một con dao hai lưỡi. Sự gián đoạn đối với bộ gen thông qua sự di chuyển của các gen nhảy có nhiều khả năng gây hại hơn là mang lại lợi ích, đặc biệt là khi cây trải qua stress, vì vậy cây ngập mặn nói chung có bộ gen nhỏ hơn các cây khác, với các gen nhảy bị ức chế.
Tuy nhiên, với cây Bruguiera gymnorhiza, các nhà khoa học suy đoán rằng vì loài cây ngập mặn này lâu đời hơn những loài khác nên nó có lẻ đã không tiến hóa để có một phương tiện ức chế hiệu quả các gen nhảy.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra để xem hoạt động của các gen, bao gồm cả các gen nhảy, khác nhau như thế nào giữa các cá thể sống ở vùng ven biển có độ mặn cao và các cá thể ở vùng nước lợ ít mặn hơn ở thượng nguồn. Họ cũng so sánh hoạt động gen của các cây rừng ngập mặn được trồng trong phòng thí nghiệm, ở hai điều kiện mặn được tái tạo như vùng ven biển và thượng nguồn.
Nhìn chung, ở cả cá thể sống ven biển và cá thể được trồng trong điều kiện độ mặn cao của phòng thí nghiệm, các gen liên quan đến việc ức chế hoạt động của gen nhảy có sự biểu hiện cao hơn, trong khi các gen thúc đẩy hoạt động của gen nhảy biểu hiện thấp hơn. Ngoài ra, khi nhóm nghiên cứu xem xét cụ thể các gen nhảy, họ đã tìm thấy bằng chứng về những thay đổi hóa học trên DNA làm giảm hoạt động của chúng.
Tiến sĩ Miryeganeh cho biết: “Điều này cho thấy các phương tiện quan trọng để đối phó với stress mặn có liên quan đến sự im lặng các gen nhảy.” Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy sự gia tăng hoạt động của các gen liên quan đến đáp ứng stress ở thực vật, bao gồm cả những gen hoạt hóa khi cây thiếu nước. Hoạt động của gen cũng cho thấy những cây bị stress có mức độ quang hợp thấp hơn.
Trong nghiên cứu tiếp theo, nhóm dự định sẽ nghiên cứu xem các mùa, sự thay đổi của nhiệt độ và lượng mưa ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của bộ gen cây ngập mặn. Giáo sư Saze cho biết: “Nghiên cứu này đóng vai trò nền tảng, cung cấp những hiểu biết mới về cách cây ngập mặn điều chỉnh bộ gen của chúng để đối phó với stress. Cần nghiên cứu thêm để hiểu những thay đổi trong hoạt động gen tác động như thế nào đến các quá trình phân tử trong tế bào và mô thực vật, và một ngày nào đó có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các thực vật mới có thể đối phó tốt hơn với stress."
Cây ngập mặn nằm giữa ranh giới đất liền và đại dương, trong môi trường khắc nghiệt được đặc trưng bởi nồng độ mặn thay đổi nhanh chóng và lượng oxy thấp. Đối với hầu hết các loài thực vật, những điều kiện này sẽ làm cây khó có thể sống sót được, nhưng rừng ngập mặn đã phát triển một khả năng chống chịu đáng kể đối với những áp lực của những địa điểm khó khăn này.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã giải mã bộ gen của cây ngập mặn (Bruguiera gymnorhiza) và tiết lộ cách loài này điều chỉnh gen để đối phó với stress. Phát hiện của họ, được công bố gần đây trên tạp chí New Phytologist, một ngày nào đó có thể được sử dụng để giúp các loài thực vật khác có khả năng chống chịu với căng thẳng tốt hơn.
"Rừng ngập mặn là một hệ thống mô hình lý tưởng để nghiên cứu cơ chế phân tử đằng sau khả năng chống chịu stress, vì chúng đối phó với các yếu tố stress khác nhau", Tiến sĩ Matin Miryeganeh, tác giả chính của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Đơn vị Di truyền Thực vật tại OIST cho biết. Đây là một hệ sinh thái quan trọng đối với hành tinh, bảo vệ bờ biển khỏi bị xói mòn, lọc các chất ô nhiễm khỏi nước và là nơi ươm mầm cho cá và các loài khác. Chúng cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc chống lại sự nóng lên toàn cầu, lưu trữ lượng carbon nhiều gấp bốn lần trong một khu vực nhất định như một khu rừng nhiệt đới. Bất chấp tầm quan trọng của chúng, rừng ngập mặn đang bị chặt phá với tốc độ chưa từng có, và do tác động của con người và nước biển dâng, rừng ngập mặn được dự báo sẽ biến mất trong vòng 100 năm tới. Và các nguồn tài nguyên gen có thể giúp các nhà khoa học cố gắng bảo tồn các hệ sinh thái này cho đến nay vẫn còn hạn chế.
Không giống như sự thích nghi tiến hóa lâu dài, liên quan đến những thay đổi di truyền, sự thích nghi với môi trường diễn ra trong vòng đời của một sinh vật xảy ra thông qua những thay đổi biểu sinh. Đây là những sửa đổi hóa học đối với DNA ảnh hưởng đến hoạt động của các gen khác nhau, điều chỉnh cách bộ gen đáp ứng với các kích thích môi trường. Các sinh vật như thực vật, không thể di chuyển đến một môi trường thoải mái hơn, chủ yếu dựa vào những thay đổi biểu sinh để tồn tại.
Trước khi tập trung vào cách thức điều chỉnh bộ gen, nhóm nghiên cứu đã phân tích DNA từ cây ngập mặn (Bruguiera gymnorhiza) và giải mã bộ gen của loài này. Họ nhận thấy bộ gen loài này chứa 309 triệu cặp bazơ, với khoảng 34403 gen (một bộ gen lớn hơn nhiều so với bộ gen của các loài cây ngập mặn đã biết khác). Kích thước lớn chủ yếu là do gần một nửa DNA được tạo thành từ các trình tự lặp lại. Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra loại DNA lặp lại, họ phát hiện ra rằng hơn 1/4 bộ gen bao gồm các yếu tố di truyền được gọi là transposon, hay 'gen nhảy'.
Giáo sư Saze giải thích: "Các gen nhảy hoạt động là các gen ký sinh có thể 'nhảy' vị trí trong bộ gen, giống như các chức năng cắt và dán hoặc sao chép và dán của máy tính. Khi càng nhiều bản sao của chúng được chèn vào bộ gen, DNA lặp lại có thể được tạo nên. "Gen nhảy là động lực lớn của sự tiến hóa bộ gen, tạo ra sự đa dạng di truyền, nhưng chúng là một con dao hai lưỡi. Sự gián đoạn đối với bộ gen thông qua sự di chuyển của các gen nhảy có nhiều khả năng gây hại hơn là mang lại lợi ích, đặc biệt là khi cây trải qua stress, vì vậy cây ngập mặn nói chung có bộ gen nhỏ hơn các cây khác, với các gen nhảy bị ức chế.
Tuy nhiên, với cây Bruguiera gymnorhiza, các nhà khoa học suy đoán rằng vì loài cây ngập mặn này lâu đời hơn những loài khác nên nó có lẻ đã không tiến hóa để có một phương tiện ức chế hiệu quả các gen nhảy.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra để xem hoạt động của các gen, bao gồm cả các gen nhảy, khác nhau như thế nào giữa các cá thể sống ở vùng ven biển có độ mặn cao và các cá thể ở vùng nước lợ ít mặn hơn ở thượng nguồn. Họ cũng so sánh hoạt động gen của các cây rừng ngập mặn được trồng trong phòng thí nghiệm, ở hai điều kiện mặn được tái tạo như vùng ven biển và thượng nguồn.
Nhìn chung, ở cả cá thể sống ven biển và cá thể được trồng trong điều kiện độ mặn cao của phòng thí nghiệm, các gen liên quan đến việc ức chế hoạt động của gen nhảy có sự biểu hiện cao hơn, trong khi các gen thúc đẩy hoạt động của gen nhảy biểu hiện thấp hơn. Ngoài ra, khi nhóm nghiên cứu xem xét cụ thể các gen nhảy, họ đã tìm thấy bằng chứng về những thay đổi hóa học trên DNA làm giảm hoạt động của chúng.
Tiến sĩ Miryeganeh cho biết: “Điều này cho thấy các phương tiện quan trọng để đối phó với stress mặn có liên quan đến sự im lặng các gen nhảy.” Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy sự gia tăng hoạt động của các gen liên quan đến đáp ứng stress ở thực vật, bao gồm cả những gen hoạt hóa khi cây thiếu nước. Hoạt động của gen cũng cho thấy những cây bị stress có mức độ quang hợp thấp hơn.
Trong nghiên cứu tiếp theo, nhóm dự định sẽ nghiên cứu xem các mùa, sự thay đổi của nhiệt độ và lượng mưa ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của bộ gen cây ngập mặn. Giáo sư Saze cho biết: “Nghiên cứu này đóng vai trò nền tảng, cung cấp những hiểu biết mới về cách cây ngập mặn điều chỉnh bộ gen của chúng để đối phó với stress. Cần nghiên cứu thêm để hiểu những thay đổi trong hoạt động gen tác động như thế nào đến các quá trình phân tử trong tế bào và mô thực vật, và một ngày nào đó có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các thực vật mới có thể đối phó tốt hơn với stress."