Làm sáng tỏ điều bí ẩn gen cây ngô 58 năm tuổi có thể tác động đến việc nhân giống cây trồng

Điều bí ẩn liên quan đến một đột biến gen tự phát làm cho các sắc tố màu đỏ xuất hiện trong các mô cây ngô khác nhau trong một vài thế hệ và sau đó biến mất trong các thế hệ tiếp theo. Ảnh: Surinder Chopra/Bang Pennsylvania.

Khi phát hiện ra một gen đột biến "bật lên" một gen khác chịu trách nhiệm cho các sắc tố màu đỏ đôi khi được thấy ở cây ngô, các nhà nghiên cứu đã giải đáp một bí ẩn gần sáu thập kỷ với một phát hiện có thể có ý nghĩa đối với việc nhân giống cây trồng trong tương lai.

Đỉnh cao của hơn 20 năm làm việc, nỗ lực được bắt đầu khi vào năm 1997, Surinder Chopra, giáo sư về di truyền học ngô tại Bang Penn, đã nhận được hạt giống từ một dòng ngô đột biến. Vào thời điểm đó, Chopra là một học giả sau tiến sĩ tại Đại học Bang Iowa, và ông đã mang theo nghiên cứu này khi ông gia nhập khoa bang Penn vào năm 2000.

Bí ẩn liên quan đến đột biến gen tự phát khiến các sắc tố màu đỏ xuất hiện trong các mô cây ngô khác nhau, như hạt, lõi, cờ, râu và thậm chí cả thân cây, trong một vài thế hệ và sau đó biến mất trong các thế hệ tiếp theo. Nó dường như là một mối quan tâm nhỏ đối với người không quen việc, nhưng bởi vì di truyền ngô từ lâu đã được nghiên cứu như một hệ thống mô hình, câu hỏi có ý nghĩa quan trọng đối với sinh học cây trồng.

"Ở ngô, các gen liên quan đến sinh tổng hợp sắc tố đã được sử dụng trong các nghiên cứu di truyền khoảng hơn một thế kỷ - sắc tố trong ngô là một đặc điểm tương đối đơn giản, khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng làm dấu ấn cho nghiên cứu di truyền", Chopra nói. "Cây ngô đột biến được xác định vào năm 1960 bởi Tiến sĩ Charles Burnham (Đại học Minnesota) và hạt giống đó đã được trao cho một trong những sinh viên của ông, Derek Styles. Chúng tôi đã nhận được hạt giống từ Styles vào năm 1997, và chúng tôi được ủy thác để tiếp tục nghiên cứu".

Chopra đã dẫn đầu về các nỗ lực xâm nhập gen từ cây ngô đột biến, được đặt tên là Ufo1 - yếu tố không ổn định cho orange1 - vào trong các dòng ngô lai khác nhau được nghiên cứu. Kể từ khi ông đến Bang Penn, nhóm nghiên cứu của Chopra tại Đại học Khoa học Nông nghiệp đã trồng và lai các dòng cây ngô tại cả Nông trại Nông học Bang Penn và trong các nhà kính trong khuôn viên trường. Trong ba năm qua, các nhà nghiên cứu, những người gần đây đã công bố phát hiện của họ trong tạp chí The Plant Cell, đã trồng hơn 4.000 cây trồng lai để lập bản đồ nơi gây ra của Ufo1 nằm trong bộ gen.

Sử dụng các mô từ các cây lai này và sử dụng các kỹ thuật giải trình tự RNA và các công cụ nhân bản gen cùng với giải trình tự thế hệ tiếp theo, lập bản đồ di truyền và khả năng phân tích dữ liệu không có sẵn cho các nhà di truyền học cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ nguyên nhân chính trong một mối quan hệ lặp đi lặp lại liên tục, không lặp lại, màu đỏ - trong bí ẩn ở ngô. Họ đã tìm thấy Ufo1, chỉ có hiện diện ở trong ngô, lúa miến, lúa và kê đuôi cáo.

Tuy nhiện, gen đột biến Ufo1 không thực sự khiến các sắc tố màu đỏ xuất hiện trong ngô - đó là do một gen có tên là pericarp color1, hoặc p1. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng gen Ufo1 thực sự được điều khiển bởi một transposons (gen nhảy) - "gen nhảy" - nằm gần với gen Ufo1. Transposons là chuỗi DNA di chuyển từ vị trí này trong bộ gen sang vị trí khác và có thể ảnh hưởng đến sự biểu hiện của các gen thiết yếu gần đó.

Khi gen chuyển này được bật lên, gen Ufo1 cũng được mở, kích hoạt gen p1 để báo hiệu cho cây tạo ra các sắc tố màu đỏ. Nhưng khi gen chuyển tắt, gen Ufo1 hoạt động lặng và con đường sắc tố do p1 kiểm soát cũng vậy. Đó là lý do chính khiến gen Ufo1 không được xác định quá lâu và bí ẩn vẫn còn tồn tại, theo nhận định của Chopra.

Chúng tôi đã có thể thu hẹp nó thành một gen trong số hàng ngàn gen được biểu hiện một cách bất thường trong đột biến Ufo1 so với thực vật hoang dã, "ông đã nói. "Đây là một khám phá gia tăng, nhưng nó là một bước nhảy vọt trong khoa học cơ bản bởi vì nó có thể có giá trị đối với các nhà nhân giống cây trồng.

Vẫn chưa hoàn toàn rõ ràng làm thế nào Ufo1 tương tác với gen p1. Tầm quan trọng trong tương lai của khám phá có thể sẽ ít liên quan đến các sắc tố màu đỏ hơn so với những gì gen đột biến Ufo1 kiểm soát ở cây ngô. Chopra tin rằng nó có thể là một "bộ điều chỉnh chính", khi được biểu hiện quá mức, báo hiệu cho cây trồng rằng nó đang bị stress (áp lực), thậm chí khi không có stress. Thật thú vị, Chopra đã chỉ ra, trong các cây Ufo1, đường tích lũy quá mức trong lá và hàm lượng maysin, một loại thuốc trừ sâu tự nhiên được tạo ra bởi cây ngô, tăng rõ ràng trong râu bắp.

"Tìm hiểu về những gì kiểm soát quy định của gen Ufo1 bình thường hoặc không đột biến sẽ đưa chúng ta đến gần hơn với quy trình nhân giống thực tế, trong đó chúng ta có thể sửa đổi biểu hiện gen để có được hàm lượng maysin cao hơn hoặc tăng lượng đường, điều này rất quan trọng trong việc bảo vệ cây trồng khỏi sâu hại và sản xuất nhiên liệu sinh học, tương ứng, "Chopra đã nói.

"Và điều, bởi vì nó có ảnh hưởng rõ rệt đến hoạt động của bộ máy tế bào, giờ đây chúng ta có thể hiểu thêm về con đường phân tử cơ bản thường xảy ra trong quá trình gây áp lực cho cây trồng", ông nói. "Hiểu về áp lực cây trồng do quá nóng, lạnh và nước là rất quan trọng vì biến đổi khí hậu".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.