Cải tiến cây trồng thường liên quan đến việc chuyển vật chất di truyền từ sinh vật này sang sinh vật khác để tạo ra một tính trạng có giá trị. Một số ví dụ chính về cây trồng được gọi là "cây chuyển gen" bao gồm bông kháng bệnh và lúa vàng giàu beta-carotene. Tuy nhiên, khi DNA ngoại lai được đưa vào cơ thể vật chủ, phản ứng phòng thủ tự nhiên ở thực vật sẽ kìm hãm hoặc ngăn chặn sự biểu hiện của vật chất di truyền lạ. Sự "im lặng" này là quá trình liên quan đến quá trình methyl hóa DNA, là một vấn đề trị giá hàng triệu đô la trong ngành công nghiệp cải tiến nông nghiệp toàn cầu. Nghiên cứu do Keith Slotkin, Tiến sỹ, thành viên, Trung tâm Khoa học Thực vật Donald Danforth đã phát hiện ra cơ chế mới về cách bắt đầu methyl hóa DNA - nói cách khác, cách thức kích hoạt sự im lặng của vật liệu di truyền mới và ngoại lai ở thực vật. Những phát hiện về protein ARGONAUTE được hướng dẫn bằng siRNA chỉ đạo enzyme RNA Polymerase V bắt đầu quá trình methyl hóa DNA, gần đây đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Plants.

Slotkin nói: “Im lặng gen là một nút thắt quan trọng kìm hãm sự phát triển của thực vật… cho dù một tính trạng thực vật mới nào đi chăng nữa, thì chúng cũng sẽ phải chiến đấu chống lại làn sóng thủy triều làm im lặng gen. Thông thường, các nhà lai tạo cần bắt đầu với hàng nghìn cây để xác định một số ít cây có biểu hiện của tính trạng mới, thay vì bị kìm nén. Bằng cách phát hiện ra cách thức và lý do xảy ra quá trình methyl hóa DNA, công việc này cho phép các nhà tạo giống cây trồng tránh được sự im lặng của tính trạng quan tâm ngay từ đầu. Slotkin cho biết: “Một ngày chúng ta có thể bắt đầu với ba cây thay vì hàng ngàn cây. Tất cả thời gian và tiền bạc thường được dành cho việc sản xuất một vụ mùa được thu hẹp lại”.

Một tiến bộ quan trọng khác trong công việc của Slotkin và nhóm của ông là việc thiết lập một mô hình mới về cách khởi động quá trình im lặng gen. Theo lý thuyết thông thường đề xuất rằng một protein quan trọng được gọi là 'RNA Polymerase V' có mặt trên tất cả bộ gen và khảo sát các vùng khác nhau của vật liệu di truyền để kiểm tra các vùng cần im lặng. Khi RNA Polymerase V xác định một vùng gen để im lặng, quá trình methyl hóa DNA sẽ bắt đầu. Tuy nhiên, trong một phát hiện mang tính đột phá, các tác giả đã phát hiện ra rằng không phải chính sự hiện diện của RNA Polymerase V gây ra sự im lặng của gen, mà là sự hiện diện của các RNA nhỏ (rất quan trọng đối với sự tăng trưởng và phát triển của thực vật) tuyển dụng RNA Polymerase V cho gen hoặc gen chuyển. Slotkin mô tả: “Mô hình này cho thấy các RNA nhỏ đang thúc đẩy RNA Polymerase V đến vị trí mới. Nếu chúng tôi loại bỏ bộ máy RNA nhỏ, RNA Polymerase V sẽ không biết đi đâu”.

Ngoài ra, các phương pháp mà nhóm Slotkin sử dụng cũng có giá trị như những phát hiện của họ - các nhà nghiên cứu đã vượt qua những trở ngại kỹ thuật đáng kể trong quá trình này. Ví dụ, gen im lặng thường được nghiên cứu như một chu kỳ, thay vì nó bắt đầu như thế nào. Do đó, các nhà nghiên cứu cần phải làm mọi thứ trong thế hệ cây chuyển gen đầu tiên để theo dõi quá trình bắt đầu. “Đó là một thách thức lớn”, Slotkin lưu ý. “Chúng tôi gieo trồng hàng nghìn hạt giống có thể đã tích hợp một gen chuyển. Đôi khi chúng tôi chỉ lấy lại được năm cây vì chúng không biến đổi tốt. Điều này là chưa đủ, vì chúng tôi muốn có rất nhiều mô của chúng để đo sự methyl hóa DNA và những thí nghiệm này yêu cầu nhiều nghiệm thức lặp lại, do đó cần nhiều mô hơn và thí nghiệm cần được thực hiện lại”. Slotkin nhận xét: “Mặc dù đó là một khối lượng công việc khổng lồ để trồng và phát triển đủ cây cho một thí nghiệm nhưng tất cả đều xứng đáng để có thể điều tra thế hệ đầu tiên của quá trình im lặng đối với gen chuyển”.

Tác giả đầu tiên của bài báo là Meredith Sigman, một cựu nghiên cứu sinh tại Trung tâm Danforth và tác giả cuối cùng của bài báo là Andrea McCue, một cựu phó tiến sỹ tại phòng thí nghiệm Slotkin. Toàn bộ nhóm nghiên cứu Slotkin tiếp tục điều tra sự khởi đầu của quá trình im lặng gen. Họ khám phá những câu hỏi cơ bản liên quan đến cách thức kích hoạt quá trình methyl hóa DNA và khả năng đóng góp của nó trong việc khắc phục những trở ngại trong sản xuất cây trồng chuyển gen. Slotkin kết luận: “Chúng tôi đang ở một viện nghiên cứu cây trồng như Trung tâm Danforth để làm cho quá trình cải tiến cây trồng dễ dàng hơn cho tất cả mọi người”.

Bùi Anh Xuân theo Sciencedaily.