Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Bằng cách so sánh các tế bào riêng lẻ ở bắp, lúa miến và kê, một nghiên cứu mới do các nhà nghiên cứu của Đại học New York thực hiện đã cho thấy có sự khác biệt tiến hóa giữa các loại cây ngũ cốc quan trọng này. Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Nature, đã đưa các nhà nghiên cứu tiến gần hơn đến việc xác định gen nào kiểm soát các đặc điểm nông học quan trọng như khả năng chịu hạn. Điều này sẽ giúp các nhà khoa học tạo ra cây trồng có khả năng thích nghi tốt hơn với môi trường khô hạn.

Bắp, lúa miến và kê cung cấp thức ăn cho người và động vật trên khắp thế giới. Bắp và lúa miến là họ hàng cổ xưa đã tiến hóa thành hai loài khác nhau từ khoảng 12 triệu năm trước, và kê là họ hàng xa hơn.

Mặc dù có chung tổ tiên, cây trồng có sự khác biệt đáng kể về các tính trạng chính - ví dụ, lúa miến chịu hạn tốt hơn nhiều so với bắp và cây giải phóng các chất nhớt đặc thù từ rễ của chúng để định hình cách chúng tương tác với đất xung quanh. Những khác biệt này có thể bắt nguồn từ việc bắp trải qua sự nhân đôi toàn bộ bộ gen sau khi tách ra khỏi lúa miến.

"Tầm quan trọng của những cây trồng này, sự gần gũi tiến hóa và sự khác biệt về chức năng của chúng mang đến một cơ hội thú vị để so sánh các mô hình biểu hiện gen ở cấp độ tế bào", Bruno Guillotin, một cộng tác viên sau tiến sĩ tại Khoa Sinh học của NYU và là tác giả đứng đầu của nghiên cứu, cho biết. "Mặc dù ba loại cây trồng này tương tự nhau, nhưng chúng khác nhau như thế nào là rất quan trọng vì chúng có những đặc điểm mà chúng ta có thể muốn chuyển từ cây này sang cây khác, chẳng hạn như khả năng chịu hạn."

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành lập hồ sơ mRNA đơn bào của rễ bắp, lúa miến và kê, mổ xẻ rễ để xem xét các tế bào riêng lẻ và quan sát chính xác nơi gen được biểu hiện trong một tế bào cụ thể. Sau đó, họ so sánh các tế bào chuyên biệt giống nhau trên ba loại cây trồng.

"Rễ cây là tuyến phòng thủ đầu tiên chống lại hạn hán và nắng nóng. Bạn có thể nghĩ về rễ như một cỗ máy có nhiều bộ phận hoạt động - trong trường hợp này là các loại tế bào - vì vậy biết cách nó hoạt động để thu thập nước, đối phó với hạn hán và nhiệt là thực sự quan trọng. So sánh các loài khác nhau giúp chúng ta phân biệt gen nào dẫn đến các đặc điểm nông học quan trọng ", Kenneth Birnbaum, giáo sư tại Khoa Sinh học và Trung tâm Sinh học Hệ thống và Bộ gen của NYU và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Khi kiểm tra cách các tế bào đã tiến hóa và phân chia ở các loài khác nhau, các nhà nghiên cứu đã xác định một số xu hướng chỉ ra sự "sửa chữa" - hoặc sắp xếp lại các yếu tố hiện có - của các tế bào theo thời gian. Đầu tiên, họ quan sát thấy rằng các tế bào thường trao đổi các mô-đun biểu hiện gen, hoặc các nhóm 10 hoặc 50 gen với các chức năng phối hợp, giữa các loại tế bào trong quá trình tiến hóa.

"Việc hoán đổi mô-đun gen này đã được thể hiện trong các hệ thống động vật, nhưng dữ liệu chúng tôi tạo ra là lần đầu tiên được minh họa với mức độ lớn ở thực vật", Birnbaum nói thêm.

Việc hoán đổi các mô-đun này đã được chứng minh trong một khám phá về chất nhờn của rễ - chất dính chứa đầy dinh dưỡng mà rễ thải vào đất. Chất nhờn rất hữu ích để bôi trơn đất giúp rễ có thể đi qua và thu hút vi khuẩn có lợi bảo vệ cây hoặc cung cấp chất dinh dưỡng.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các gen giúp sản xuất chất nhờn rễ nằm ở các phần khác nhau của bắp, lúa miến và rễ kê. Trong lúa miến, các gen chất nhờn được tìm thấy trong mô ngoài của rễ, trong khi ở bắp, chúng được hoán đổi thành một loại tế bào mới trong chóp rễ, một sự thay đổi tiến hóa có thể cho phép bắp thu hút vi khuẩn giúp cây thu được nitơ. Họ cũng xác định các yếu tố điều hòa gen khác được chuyển đổi trong các loại tế bào khác nhau tùy thuộc vào cây trồng, cung cấp cho các nhà nghiên cứu các ứng cử viên chính để thử nghiệm các gen quy định các đặc điểm cụ thể.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng toàn bộ bộ gen nhân đôi trong bắp sau khi tách ra từ lúa miến 12 triệu năm trước đã ảnh hưởng đến các loại tế bào cụ thể, cho phép các tế bào bắp biệt hóa nhanh chóng. Họ cũng quan sát thấy rằng một số loại tế bào đóng vai trò là nguồn cho gen mới trong khi những loại khác dường như thu thập các bản sao gen mới, điều này có thể cho thấy sự nhân đôi gen đã đẩy nhanh quá trình tiến hóa của một số tế bào nhất định.

Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn đã làm cho nghiên cứu này trở nên khả thi và mở ra các phương pháp mới để khám phá mối liên hệ giữa gen và đặc điểm tế bào ở cây trồng.

Birnbaum cho biết "một thập kỷ trước, chúng tôi chỉ có thể phân tích hàng chục hoặc vài chục tế bào bằng các kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn ban đầu. Bây giờ chúng tôi có thể lập hồ sơ hàng chục ngàn tế bào trong một thí nghiệm khá thường xuyên".

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ so sánh cách các tế bào đơn lẻ của ba loại cây trồng này đáp ứng với điều kiện bất lợi, chẳng hạn như hạn hán. "Đáp ứng đó có thể là chìa khóa để tìm ra bộ gen thực sự quan trọng đối với khả năng chịu hạn", Birnbaum nói.

Nguồn: Sciencedaily.com