Các nhà khoa học vừa tìm ra “công tắc thông minh” cho sự phát triển của thực vật

Một phần của bắp ngô ở giai đoạn phát triển rất sớm (dài khoảng 3mm). Mỗi màu đại diện cho sự biểu hiện của một gen khác nhau trong tế bào gốc và các tế bào liên quan.

Tế bào gốc thực vật đóng vai trò thiết yếu đối với nguồn cung cấp thực phẩm, thức ăn chăn nuôi và sản xuất nhiên liệu trên toàn thế giới. Chúng đặt nền móng cho sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều điều bí ẩn về những khối cấu trúc này chưa được khám phá. Các phân tích trước đây đã không thể xác định được nhiều gen quan trọng điều chỉnh chức năng của các tế bào này.

Giờ đây, lần đầu tiên, các nhà sinh học thực vật tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (CSHL) đã lập bản đồ hai gen điều hòa tế bào gốc đã biết trên hàng ngàn tế bào chồi ngô và Arabidopsis. Nghiên cứu của họ cũng phát hiện ra các gen điều hòa tế bào gốc mới ở cả hai loài và liên kết một số gen với các biến thể kích thước ở ngô. Phương pháp phục hồi tế bào gốc hiếm này có thể được sử dụng trên toàn bộ giới thực vật. Giáo sư David Jackson tại CSHL giải thích: "Lý tưởng nhất là chúng tôi muốn biết cách tạo ra tế bào gốc. Điều này sẽ cho phép chúng tôi tái tạo cây trồng tốt hơn. Nó sẽ cho phép chúng tôi hiểu được sự đa dạng thực vật. Một điều mà mọi người rất hào hứng là lai tạo các loại cây trồng mới có khả năng phục hồi tốt hơn hoặc năng suất cao hơn. Chúng tôi vẫn chưa có danh sách đầy đủ các gen điều hòa - tức là các gen chúng tôi cần để làm điều đó".

Jackson và các đồng nghiệp trước tiên tập trung vào hai chất điều hòa tế bào gốc nổi tiếng là CLAVATA3 và WUSCHEL. Xiaosa Xu, một cựu nghiên cứu sinh sau tiến sỹ trong phòng thí nghiệm của Jackson, đã tỉ mỉ mổ xẻ một mẫu nhỏ thân ngô và Arabidopsis chứa tế bào gốc. Sau đó, nhóm nghiên cứu sử dụng một máy "vi lưu" để tách từng tế bào, chuyển đổi RNA của nó thành DNA và gắn nhãn cho nó để xác định nó đến từ tế bào nào.

Quá trình này, được gọi là giải trình tự RNA tế bào đơn, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát cách gen được biểu hiện trong hàng ngàn tế bào cùng một lúc. "Điều tuyệt vời là bạn có được bản đồ biểu hiện gen này", Jackson nói. "Khi chúng tôi công bố nó, toàn bộ cộng đồng có thể sử dụng nó. Những người khác quan tâm đến tế bào gốc ngô hoặc Arabidopsis không cần phải lặp lại thí nghiệm. Họ sẽ có thể sử dụng dữ liệu của chúng tôi".

Giải trình tự RNA tế bào đơn đã cho phép nhóm nghiên cứu thu thập khoảng 5.000 tế bào biểu hiện gen CLAVATA3 và 1.000 tế bào biểu hiện gen WUSCHEL. Tiếp theo, họ xác định được hàng trăm gen được biểu hiện ưu tiên trong cả tế bào gốc ngô và Arabidopsis, cho thấy chúng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của nhiều loài thực vật. Từ đó, họ có thể liên kết một số chất điều hòa tế bào gốc với năng suất ngô. Những liên kết này một ngày nào đó có thể giúp các nhà lai tạo chọn lọc các chủng cụ thể cho sản xuất thực phẩm, thức ăn chăn nuôi hoặc nhiên liệu.

"Đó là kiến ​​thức nền tảng có thể định hướng nghiên cứu cho thập kỷ tới", Jackson nói. "Nó có thể được sử dụng không chỉ bởi các nhà sinh học phát triển, mà còn bởi các nhà sinh lý học, những người nghiên cứu về cách bắp ngô phát triển và cách cải thiện năng suất và sau đó là các nhà lai tạo giống".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.