Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

 Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley thuộc Bộ Năng lượng, Mỹ đã phát triển một phương thức ở quy mô bộ gen để lập bản đồ vai trò điều hòa của các nhân tố phiên mã (các protein giữ vai trò chủ chốt trong biểu hiện gen) và xác định đặc điểm sinh lý của cây. Nghiên cứu của họ tiết lộ những hiểu biết chưa từng có về mạng lưới điều hòa gen và xác định một thư viện DNA mới có thể được sử dụng để tối ưu hóa các nỗ lực về kỹ thuật di truyền ở thực vật.

"Các nhân tố phiên mã điều hòa những thứ như cách thực vật phát triển, lượng quả chúng tạo ra và kiến trúc rễ của chúng trông như thế nào", Niklas Hummel, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Bằng cách giải mã vai trò điều hòa của chúng, chúng tôi có thể xác định các chiến lược mới để thiết kế các loại cây trồng năng lượng sinh học chịu hạn tốt hơn và các loại cây khác với các đặc điểm nông học được cải thiện".

Hummel và Patrick Shih, một nhà khoa học thuộc khoa Khoa học Sinh học của Phòng thí nghiệm Berkeley, đã phát triển một phương pháp để mô tả đồng thời một số lượng lớn các nhân tố phiên mã trong cây. Mặc dù phương pháp này đã được áp dụng cho các sinh vật mô hình khác, chẳng hạn như động vật, côn trùng và nấm, nhưng việc áp dụng cho thực vật vẫn là một thách thức, do sự phức tạp và sự hiện diện của thành tế bào ở thực vật.

"Cho đến nay, các nghiên cứu loại này đã thực sự được thực hiện từng phần ở thực vật, nơi chúng tôi chỉ hiểu chức năng của một nhân tố phiên mã cụ thể vì một nhóm các nhà nghiên cứu đã tập trung vào nó trong nhiều năm", Shih nói. Vì vậy, những gì chúng tôi cố gắng làm thay vào đó là đưa ra một cách để lập bản đồ hoạt động của hàng trăm nhân tố phiên mã trong một cây ở cùng một thời điểm."

Để giải quyết thách thức này, Hummel và Shih đã sử dụng một hệ thống biểu hiện tạm thời mà họ phát triển trước đây để xây dựng các công cụ sinh học tổng hợp ở thực vật. Ở đây, họ đã sử dụng hệ thống để mô tả song song một mạng lưới hơn 400 vùng hiệu ứng phiên mã ở cây thuốc lá (Nicotiana benthamiana), một kỳ tích chưa từng đạt được trong sinh học tổng hợp thực vật.

Sau đó, họ tiếp tục xem xét tài liệu, cố gắng khớp chức năng của các yếu tố phiên mã mà họ đã xác định hàng loạt với công việc trước đây, để xác định chức năng của các yếu tố phiên mã riêng lẻ trong mạng lưới của họ.

"Chúng tôi có thể chỉ ra đây là những gì mọi người thấy khi họ nghiên cứu một cách riêng lẻ các nhân tố phiên mã có vai trò trong biểu hiện gen, và đây là những gì chúng tôi thấy khi nghiên cứu chúng một cách song song", Shih nói. "Sự so sánh thực sự đã kết thúc rất tốt. Điều này khiến chúng tôi tự tin rằng chúng tôi có thể tích hợp bộ dữ liệu của mình vào các mạng lưới điều hòa gen để xác định các nhân tố phiên mã chủ chốt cho việc tạo ra các đặc điểm thực vật quan trọng".

Một khía cạnh đáng ngạc nhiên của nghiên cứu là việc phát hiện ra các cơ chế điều hòa phiên mã tương tự trên các sinh vật nhân chuẩn có quan hệ họ hàng xa. Bằng cách kiểm tra chức năng điều hòa nhân tố phiên mã ở cả thực vật và nấm men, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy chức năng chung, làm nổi bật sự hiện diện của các cơ chế điều hòa gen được bảo tồn sâu sắc.

"Chúng tôi đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng nhiều vùng điều hòa nhân tố phiên mã hoạt động giống nhau trên thực vật và nấm men", Hummel nói. "Sau đó, chúng tôi đã mở rộng điều này nhằm chứng minh cách các thuật toán đã được áp dụng trên các bộ dữ liệu nấm men có thể hoạt động để xác định các vùng điều hòa ở thực vật."

Những phát hiện của nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng đối với nông nghiệp và tính bền vững. Các nhân tố phiên mã giữ vai trò chủ chốt trong việc xác định các tính trạng quan trọng ở thực vật, nên việc hiểu cách chúng hoạt động sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các chiến lược để cải thiện thực hành nông nghiệp và giải quyết các thách thức môi trường.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu mở rộng cách tiếp cận của họ để nghiên cứu tất cả các nhân tố phiên mã ở Arabidopsis, một loài thực vật mô hình được nghiên cứu rộng rãi. Điều này sẽ đẩy nhanh hơn nữa sự hiểu biết về sự điều hòa gen chuyên biệt thực vật và tạo điều kiện cho những tiến bộ trong lĩnh vực sinh học thực vật.

"Khả năng thiết kế và sửa đổi thực vật của chúng tôi phụ thuộc vào sự hiểu biết cơ bản về cách các tính trạng khác nhau được điều hòa", Shih nói. "Bằng cách hiểu làm thế nào các nhân tố phiên mã chủ chốt có thể điều hòa các tính trạng quan tâm, chúng tôi có thể xác định các chiến lược mới để cải thiện các tính trạng liên quan đến năng lượng sinh học."

Nguồn: Sciencedaily.com