Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Wolffia, còn được gọi là Bèo tấm, là loài thực vật phát triển nhanh nhất được biết đến, nhưng yếu tố di truyền tạo nên thành công của loài cây nhỏ kỳ lạ này từ lâu đã là một bí ẩn đối với các nhà khoa học. Hiện nay, nhờ những tiến bộ trong giải trình tự bộ gene, các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu điều gì làm cho loài cây này trở nên độc đáo và đang dần khám phá một số nguyên lý cơ bản về sinh học và sự phát triển của thực vật.

Một nỗ lực gồm nhiều nhà nghiên cứu do các nhà khoa học từ Viện Salk dẫn đầu đã báo cáo những phát hiện mới về bộ gene của loài cây này giúp giải thích cách thức nó có thể phát triển nhanh như vậy. Nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Genome Research số tháng 2 năm 2021 sẽ giúp các nhà khoa học hiểu về cách thức các loài thực vật đánh đổi giữa tăng trưởng và các chức năng khác, ví dụ như bỏ rễ và bảo vệ bản thân khỏi các loài sâu bệnh. Nghiên cứu này có ý nghĩa đối với việc thiết kế các loại cây hoàn toàn mới được tối ưu hóa cho các chức năng chuyên biệt, ví dụ tăng khả năng lưu trữ carbon để giúp giải quyết biến đổi khí hậu.

Todd Michael, tác giả chính của bài báo và là giáo sư nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử và Tế bào Thực vật thuộc Viện Salk, cho biết: “Nhiều tiến bộ trong khoa học đã được tạo nên nhờ những sinh vật thật sự đơn giản như nấm men, vi khuẩn và giun. Ý tưởng ở đây đó là chúng tôi có thể sử dụng một loài thực vật rất nhỏ như Bèo tấm để tìm hiểu về cách thức hoạt động cơ bản giúp tạo nên một cái cây thật sự”.

Bèo tấm sinh trưởng trong môi trường nước ngọt trên mọi lục địa, ngoại trừ Nam cực, trông giống như những hạt nhỏ màu xanh lá nổi trên mặt nước, mỗi cây chỉ bằng kích thước của một đầu đinh ghim. Chúng không có rễ và chỉ có duy nhất một cấu trúc thân – lá hợp nhất được gọi là cánh bèo (frond). Chúng sinh sản tương tự nấm men, khi một cây con đâm chồi từ cây mẹ. Với thời gian nhân đôi chỉ vỏn vẹn một ngày, một số chuyên gia tin rằng Bèo tấm có thể trở thành một nguồn protein quan trọng cung cấp cho dân số ngày càng tăng trên Trái Đất. (Chúng đã được sử dụng làm thức ăn ở các khu vực thuộc Đông Nam Á, nơi chúng được biết với cái tên là khai-nam, có nghĩa là “trứng nước”).

Để tìm hiểu sự thích nghi nào trong bộ gene của Bèo tấm chịu trách nhiệm cho khả năng tăng trưởng nhanh chóng của chúng, các nhà nghiên cứu đã trồng cây theo các chu kỳ sáng/tối, sau đó phân tích chúng để xác định xem gene nào hoạt động tại các thời điểm khác nhau trong ngày. (Hầu hết sự sinh trưởng của thực vật bị kiểm soát bởi chu kỳ sáng và tối, với phần lớn sự sinh trưởng diễn ra vào buổi sáng.)

Michael cho biết: “Thật kinh ngạc, Bèo tấm chỉ có một nửa số lượng gene bị kiểm soát bởi các chu kỳ sáng/tối so với các loài thực vật khác. Chúng tôi nghĩ điều này giải thích tại sao chúng có thể phát triển nhanh như vậy. Chúng không có các quá trình điều hòa giới hạn khi nào chúng có thể tăng trưởng”.

Các nhà khoa học cũng phát hiện ra rằng các gene liên quan đến các yếu tố hành vi quan trọng khác ở thực vật, như các cơ chế phòng vệ và sự phát triển của rễ, không xuất hiện. Michael cho biết thêm: “Loài thực vật này đã bỏ đi hầu hết các gene mà chúng không cần. Chúng dường như đã tiến hóa để chỉ tập trung vào tăng trưởng nhanh chóng, không kiểm soát”.

Giáo sư Joseph Ecker, giám đốc Phòng thí nghiệm Phân tích Bộ gene thuộc Viện Salk và là đồng tác giả của nghiên cứu này, cho biết: “Các dữ liệu về bộ gene của Bèo tấm có thể cung cấp sự hiểu biết quan trọng về sự tương tác giữa cách thức các loài thực vật phát triển cấu trúc cơ thể của chúng và cách thức chúng sinh trưởng. Loài thực vật này hứa hẹn sẽ trở thành một mô hình thí nghiệm mới để nghiên cứu các đặc điểm quan trọng về hành vi thực vật, bao gồm cách các gene đóng góp vào các hoạt động sinh học khác nhau”.

Phòng thí nghiệm của Michael hiện đang tập trung tìm hiểu cách thức để phát triển các loại cây mới ngay từ đầu, để chúng có thể được tối ưu hóa cho các hành vi nhất định. Nghiên cứu hiện tại giúp mở rộng kiến thức sinh học thực vật cơ bản cũng như mang lại tiềm năng cải thiện cây trồng và nền nông nghiệp. Bằng cách tạo ra những loại cây có thể lưu trữ carbon từ khí quyển vào trong rễ tốt hơn, một cách tiếp cận thuộc dự án Sáng kiến Khai thác các loại thực vật của Salk, các nhà khoa học có thể tối ưu hóa các loài thực vật nhằm giúp giải quyết mối đe dọa của biến đổi khí hậu.

Michael dự định tiếp tục nghiên cứu Bèo tấm để tìm hiểu thêm về cấu trúc bộ gene liên quan đến sự phát triển của cây bằng cách sử dụng loài thực vật đơn giản này để tìm hiểu về các mạng lưới kiểm soát số phận.