Nghiên cứu di truyền ngô cho thấy cơ chế đằng sau những tính trạng trở nên im lặng

Trong hơn một thế kỷ, các nhà di truyền học thực vật đã nghiên cứu ngô như cây mô hình để tìm hiểu các quy luật về việc điều kiển sự thừa kế các đặc tính trên cây trồng, một nhóm các nhà nghiên cứu gần đây đã tiết lộ một cơ chế gây nên sự im lặng gen trong ngô. Sự im lặng gen làm ức chế sự biểu hiện của các tính trạng di truyền, một cơ chế  quan trọng đối với các nhà nhân giống cây trồng, những người nghiên cứu về  sự thừa kế các tính trạng từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp.

Theo lịch sử, gen P1 của ngô đã được sử dụng như một gen mô hình. Các nhà nghiên cứu trước đây không biết rằng hai loại dấu hiệu methyl hóa DNA  trùng lắp có thể làm thay đổi, im lặng hoặc kích hoạt sự biểu hiện gen. Theo nhà nghiên cứu chính Surinder Chopra, giáo sư về di truyền ngô, Đại học Khoa học Nông nghiệp, Penn State, khám phá này mở ra những kiến thức về các cơ chế khác của định luật di truyền không tuân  theo Mendel.

Trong các nghiên cứu báo cáo trên tạp chí PLOS One, nhóm nghiên cứu của Chopra đã chỉ ra rằng việc làm im lặng gen P1 liên quan đến màu sắc vỏ hạt - là yếu tô điều hòa, điều kiển màu sắc lớp ngoài cùng của hạt và màu của lõi ngô, có thể là hai yếu tố epigenetics "chồng chéo"  - DNA methyl hóa phụ thuộc ARN (RdDM) và không phải DNA methyl hóa phụ thuộc RNA (non- RdDM).

"Việc methyl hóa DNA, là sự bổ sung các nhóm methyl vào phân tử DNA, có thể làm thay đổi hoạt tính của một đoạn DNA mà không thay đổi trình tự", ông nói. "Sự methyl hóa DNA thường hoạt động để kiềm chế sự sao chép gen, đây là bước đầu tiên của sự biểu hiện gen".

Trong các tế bào thực vật, khi nào và ở mức độ nào gen được biểu hiện dưới sự kiểm soát chặt chẽ giữa các yếu tố kích hoạt phiên mã và yếu tố đàn áp, Chopra giải thích. Các RNA nhỏ - các phân tử cần thiết trong điều hoà và biểu hiện gen - có thể là trung gian của sự methyl hóa chuỗi DNA và ức chế quá trình phiên mã, do đó đóng một vai trò trong việc ức chế sự biểu hiện gen di truyền hoặc transgenes được đưa vào để tạo ra các đặc tính cây trồng mong muốn.

Trong ngô, gene P1 liên quan màu sắc của hạt,  điều kiển sự tích tụ các sắc tố đỏ gọi là phlobahpenes. Các mô hình của sắc tố trên vỏ hạt ngô và màng bao phủ các trên lõi ngô - phụ thuộc vào sự biểu hiện của gene P1. Một số ví dụ về các mẫu này là: hạt trắng, lõi đỏ; hạt  đỏ, lõi đỏ; hạt nhiều màu, lõi nhiều màu; hạt đỏ, lõi trắng; và hạt trắng, lõi trắng.

Chopra cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi về gen P1 màu sắc của vỏ hạt đã chứng minh sự tham gia của cả cơ chế RNA nhỏ phụ thuộc  và những cơ chế RNA nhỏ không phụ thuộc để ức chế biểu hiện gen". Nghiên cứu này cho thấy cơ chê điều hòa gen bằng các RNA nhỏ và cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về cách biểu hiện gen được điều hòa đặc biệt trong một mô chứ không phải ở các mô khác.

Thông thường, khi các nhà chọn giống cây trồng tạo ra các loại cây trồng mới, một số đặc điểm mà cây trồng được nhân giống có thể biến mất hoặc sự biểu hiện của chúng bị giảm đi ở con cháu. "Và điều đó, chúng ta biết, là do sự im lặng gen".

Chopra tin rằng những hiểu biết về cơ chế im lặng gen làm mất đi các tính trạng mong muốn từ lâu đã là cần thiết. Có thể tai hại cho một nông dân khi mua hạt giống mà chúng phát triển không theo cách mà họ đã hứa với nhà sản xuất.

Nếu một hoặc nhiều gen đang kiểm soát một tính trạng trở nên im lặng do DNA methyl hóa trùng lấp, thì đặc điểm đó sẽ biến mất khỏi quần thể.

Chopra nói: "Đó là một sự thất bại lớn đối với bất cứ ai cố gắng tạo ra các tính trạng tốt như năng suất cao, được điều chỉnh bởi một số gen" "Nếu một hoặc hai trong số những gen cần thiết cho năng suất cao trở nên im lặng, thì có thể sẽ dẫn đến giảm sản lượng tổng thể".

Bùi Anh Xuân theo Sciencedaily.