Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một công nghệ gọi là Bản đồ phân tử, một phương pháp phiên mã không gian, phối hợp với Giải quyết vấn đề sinh hoc (Resolve Bioscatics) để lập bản đồ vị trí tế bào của khoảng một trăm gen cùng một lúc. Điều này cho phép họ xác thực bản đồ biểu hiện gen giữa các loài tế bào. Nguồn: Bruno Guillotin/Ramin Rahni.

Theo một nghiên cứu mới do các nhà khoa học của Đại học New York đảm trách đó là việc so sánh các tế bào riêng lẻ giữa ngô, lúa miến và kê cho thấy sự khác biệt về mặt tiến hóa giữa các loại cây ngũ cốc quan trọng này.

Các kết quả được công bố trên tạp chí Nature, đưa các nhà nghiên cứu đến gần hơn với việc xác định chính xác gen nào kiểm soát các đặc điểm nông học quan trọng như khả năng chịu hạn, giúp các nhà khoa học đối mặt với biến đổi khí hậu giúp cây trồng thích nghi với môi trường khô hạn hơn.

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

Mặc dù có chung nguồn gốc, các loại cây trồng có sự khác biệt đáng kể về các đặc điểm chính, ví dụ, lúa miến có khả năng chịu hạn hán tốt hơn nhiều so với ngô và các loại cây này giải phóng các chất dính độc đáo 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 ngô trải qua quá trình sao chép toàn bộ bộ gen sau khi tách khỏi lúa miến.

Họ cho biết: “Tầm quan trọng của những loại cây trồng này, sự gần gũi về mặt tiến hóa và sự khác biệt về chức năng của chúng mang đến một cơ hội thú vị để so sánh các kiểu biểu hiện gen ở cấp độ tế bào”.

Bruno Guillotin, nghiên cứu sau tiến sỹ tại Khoa Sinh học của NYU và là tác giả chính của nghiên cứu nói: “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 ngô, lúa miến và kê, mổ xẻ rễ để xem xét các tế bào riêng lẻ và quan sát chính xác nơi các gen được biểu hiện trong một tế bào cụ thể. Sau đó, họ so sánh các tế bào chuyên biệt giống nhau giữa ba loại cây trồng.

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

Khi kiểm tra cách các tế bào đã phát triển và phân kỳ 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 có chức năng phối hợp, giữa các loại tế bào trong quá trình tiến hóa.

Birnbaum nói thêm: “Sự 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 nó được minh họa ở mức độ lớn trong thực vật”.

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

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các gen giúp tạo ra chất nhờn ở rễ nằm ở các bộ phận khác nhau của rễ ngô, lúa miến và kê. Ở lúa miến, các gen chất nhờn được tìm thấy trong mô bên ngoài của rễ, trong khi ở ngô, chúng được hoán đổi thành một loại tế bào mới ở chỏm rễ, một sự thay đổi tiến hóa có thể cho phép ngô thu hút vi khuẩn giúp cây trồng thu được nitơ.

Họ cũng xác định các bộ điều chỉnh gen khác được chuyển đổi trong các loại tế bào khác nhau tùy thuộc vào cây trồng, cung cấp cho các nhà nghiên cứu những ứng cử viên chính để thử nghiệm các gen truyền đạt các đặc điểm cụ thể.

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

Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn đã giúp 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 một chục hoặc vài chục tế bào bằng các kỹ thuật giải trình tự đơn bào ban đầu. Giờ đây, chúng tôi có thể lập hồ sơ hàng chục nghìn tế bào trong một thí nghiệm khá thông thường".

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ so sánh cách các tế bào đơn lẻ của ba loại cây trồng này phản ứng với căng thẳng, chẳng hạn như hạn hán.

Birnbaum cho biết: “Chính phản ứng đó có thể là chìa khóa để tìm ra bộ gen thực sự quan trọng đối với khả năng chịu hạn”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org