Các gen nhân bản ở cây thực phẩm (Brassica rapa) được điều chỉnh bởi đồng hồ sinh học thực vật giúp thích nghi với các vùng mới và biến đổi khí hậu. Minh họa: Kathleen Greenham.

Đồng hồ sinh học của một loại cây lương thực phổ biến kiểm soát gần 3/4 số gen của nó, theo nghiên cứu từ Đại học Dartmouth.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí ELife có thể giúp các nhà nghiên cứu hướng vào các gen để cải thiện khả năng tăng trưởng và phục hồi khi cây trồng được chuyển đến một vùng mới hoặc gặp điều kiện khí hậu thay đổi. Nghiên cứu di truyền cho thấy cách cây trồng sử dụng các phản ứng bên trong chu kỳ ngày đêm - được gọi là nhịp sinh học - để điều chỉnh các quá trình như sinh sản, quang hợp và phản ứng với các điều kiện bất lợi.

C. Robertson McClung, giáo sư sinh học tại Dartmouth và là nhà nghiên cứu cấp cao về vấn đề này đã cho biết: “Vì cây trồng được trồng ở các vùng địa lý mới, chúng phải chọn lọc những đặc điểm cho phép chúng tồn tại trong các điều kiện khác nhau. Nhiều trong số những đặc điểm này nằm trong các gen đồng hồ sinh học".

Giống như động vật, thực vật có đồng hồ sinh học cho phép chúng thích ứng với những thay đổi có thể dự đoán được, chẳng hạn như chu kỳ ngày - đêm hoặc sự thay đổi ở các mùa. Trong khi động vật có thể di chuyển để thích nghi với những thay đổi môi trường như vậy, thực vật lại bị mắc kẹt tại chỗ. Để tồn tại, thực vật cần kích hoạt và hủy kích hoạt các gen để thay đổi chức năng sinh học của chúng.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng trình tự RNA để xác định cách các gen trong cây trồng phổ biến như cây Brassica rapa được kiểm soát bởi cơ chế lưu giữ thời gian bên trong của thực vật. Các loài B. rapa bao gồm các giống như củ cải, cải lấy hạt có dầu, bắp cải Trung Quốc và các loại rau ăn lá.

Trong nghiên cứu, thực vật được tiếp xúc với điều kiện bình thường có ngày ấm áp và đêm mát mẻ. Sau đó, chúng được đưa ra khỏi môi trường này và lấy mẫu trong khoảng thời gian hai ngày để thể hiện ra những gen nào đang hoạt động phản ứng lại các tín hiệu từ đồng hồ bên trong của cây.

Nghiên cứu đã phát hiện ra rằng hơn 16.000 gen, khoảng 3/4 tổng số gen của thực vật, được điều chỉnh bởi nhịp sinh học khi thiếu ánh sáng và thay đổi nhiệt độ.

“Chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy rằng số lượng gen cao như vậy được điều chỉnh bởi đồng hồ sinh học. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát đồng hồ sinh học của nhiều chức năng trong thực vật”, McClung nói.

Nhiều cây trồng, chẳng hạn như lúa mì, khoai tây và cây họ cải Brassica, đã tăng gấp đôi hoặc gấp ba lần các gen bổ sung hoàn chỉnh của chúng. Điều này khiến các nhà nghiên cứu đặt câu hỏi về tác động của các cặp gen bổ sung đối với đồng hồ sinh học của thực vật hoặc đối với các quá trình tồn tại như khả năng chống chịu với hạn hán.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các bản sao gen phụ thường hoạt động vào các thời điểm khác nhau trong ngày từ các cặp gen của chúng.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã phát hiện chỉ một thành viên của một cặp gen nhân đôi thường phản ứng với hạn hán. Trong cả hai trường hợp này, sự khác biệt về thời gian kích hoạt gen hoặc khả năng đáp ứng với hạn hán phải xảy ra sau khi các gen đã nhân đôi.

Phát hiện này dẫn đến kết luận rằng sự nhân đôi gen tương tự là nguyên nhân của đồng hồ sinh học nhạy cảm hơn cũng tạo ra khả năng chống hạn tốt hơn.

Kathleen Greenham, trợ lý giáo sư về sinh học thực vật và vi sinh vật tại Đại học Minnesota, người đồng dẫn đầu cuộc nghiên cứu với tư cách là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Dartmouth, cho biết: “Trong suốt quá trình tiến hóa của thực vật trên cạn, số lượng cặp gen mở rộng. Một bộ các bản sao có thể duy trì các quá trình tăng trưởng quan trọng trong khi các bản sao khác được tự do phát triển các chức năng mới mà các nhà nghiên cứu có thể sử dụng để tạo ra các loại cây trồng chống chịu được bất lợi”.

Việc xác định sự khác biệt trong các cặp gen khiến chúng đáp ứng hoặc không đáp ứng với điều kiện khô hạn có thể cung cấp cho các nhà nghiên cứu cách giúp thực vật tăng khả năng chống chịu với những thay đổi do khí hậu gây ra.

Ryan Sartor, nhà nghiên cứu, sau tiến sĩ (Postdoc) tại Đại học Bang North Carolina, đồng tác giả trong nghiên cứu, cho biết: “Thời gian trong ngày quan trọng đối với sự biểu hiện gen khi đối phó với hạn hán. Đây là một bước đầu tiên để giúp hiểu các mối quan hệ cơ bản. Sự hiểu biết đầy đủ hơn về hệ thống phức tạp này có thể dẫn đến sự phát triển của các loại cây trồng chống chịu áp lực cao hơn ”.

Theo nhóm nghiên cứu, nhịp sinh học điều chỉnh phần lớn sinh học thực vật có khả năng bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu vì các dấu hiệu môi trường trở nên kém tin cậy hơn. Điều này làm cho thực vật khó thích nghi và tồn tại hơn, nhưng nó cũng là manh mối cho các nhà nghiên cứu đang tìm cách xây dựng khả năng phục hồi của thực vật.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org