Những điều ẩn giấu ngay trước mắt: Các nhà khoa học khám phá ra những trình tự DNA cổ đại có thể kiểm soát chức năng gen trong suốt quá trình tiến hoá của thực vật

Một nghiên cứu đột phá đã truy xuất được hàng ngàn yếu tố điều tiết đã được bảo tồn khoảng 300 triệu năm trước, tiết lộ những nguyên tắc sâu sắc của quá trình tiến hoá của bộ gen thực vật – một khám phá có thể mở đường cho kỹ thuật cải tiến cây trồng một cách chính xác hơn.

Những tiến bộ nhanh chóng về bộ gen thực vật và kỹ thuật chỉnh sửa gen đang làm thay đổi các khả năng cải thiện các tính trạng cây trồng trong bối cảnh áp lực ngày càng gia tăng về môi trường, dịch bệnh và năng suất.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trực tuyến trên tạp chí Khoa học, một hợp tác quốc tế của các nhà khoa học cây trồng đã khám phá ra một kho báu khổng lồ đã được giấu kín trước đây về các trình tự DNA điều tiết cổ đại có thể giúp kiểm soát sự phát triển của thực vật qua hàng triệu năm.

Mặc dù các trình tự DNA điều tiết cổ đại này được nghiên cứu kỹ lưỡng trong bộ gen động vật, chúng vốn được cho là hiếm hoặc không tồn tại ở thực vật. Những trình tự di truyền ở thực vật thường được nhân bản và sắp xếp lại đã che giấu lịch sử tiến hoá của chúng.

Giáo sư Madelaine Bartlett, lãnh đạo nhóm nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Sainsbury, trường Đại học Cambridge người đồng chủ trì nghiên cứu cho biết: “Những gen của thực vật liên tục xáo trộn xung quanh làm những liên kết giữa các gen và các yếu tố điều tiết cực kỳ khó phát hiện. Sự nhân bản được lặp lại của cả bộ gen, theo sau bởi việc mất đoạn và sắp xếp lại các gen, hiện ra mối quan hệ giữa gen và các yếu tố điều tiết của chúng. Kết quả là, hầu hết các trình tự điều tiết cis đã biết của thực vật được cho là trẻ, trong thuật ngữ tiến hoá”.

Để giải quyết thách thức lâu dài này, các nhà khoa học đã xây một nền tảng thuật toán mới, Conservatory, sử dụng dữ liệu di truyền thực vật được tạo ra bởi cộng đồng nghiên cứu thực vật trên thế giới để phát hiện DNA điều hoà được bảo tồn.

Bằng việc phân tích 284 loài thực vật, nghiên cứu này hiện nay đã nhận dạng khoảng 2,3 triệu trình tự không mã hoá được bảo tồn (CNSs), tạo ra sự phong phú, nguồn có sẵn giúp các nhà khoa học hiểu cách thức gen điều hoà tiến hoá thông qua các dòng thực vật.

Với sức mạnh của sự tiến hoá các trình tự điều hoà để định dạnh hình thái, việc nhận diện các trình tự đã được bảo tồn qua thời gian tiến hoá mở cửa cho kỹ thuật hoá các tính trạng cây trồng một cách chính xác và có định hướng hơn để gia tăng năng suất và các khả năng chống chịu của chúng.

Những kết quả này thể hiện rằng những trình tự điều hoà có thể được duy trì, mặc dù sự nhân bản gen được lặp lại và sự tái sắp xếp di truyền quy mô lớn khá phổ biến ở bộ gen thực vật.

Nghiên cứu này đã làm tăng lên một khả năng đầy hấp dẫn tương tự những trình tự điều tiết cổ đại có thể mở ra trong những loài thực vật khác, nơi mà sự tiến hoá di truyền thì phức tạp tương tự.

Dự án Conservatory, được dẫn dắt bởi các phòng thí nghiệm của Madelaine Bartlett (Phòng Thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge), Idan Efroni (Đại học Hebrew của Jerusalem), và Zachary Lippman (Cold Spring Harbor) đã nhận diện hơn hai triệu trình tự không mã hoá được bảo tồn (CNSs) trong sự đa dạng xanh nhờ vào nỗ lực phi thường của đồng tác giả Kirk R. Amundson, Đại học Massachusetts Amherst và Anat Hendelman từ Phòng Thí Nghiệm Cold Spring Harbor. Nhiều yếu tố điều hoà này có trước sự xuất hiện của thực vật có hoa, với sự kéo dài trở lại 300 triệu năm trước.

Giáo sư Efroni người đã thiết kế thuật toán mới Conservatory dựa trên trung tâm là gen cho biết: “Những trình tự này đã ẩn mình ngay trước mắt. Bộ gen thực vật thì cực kỳ phức tạp và chính sự phức tạp này đã gây rất khó khăn để truy tìm DNA điều tiết ngược từ xa xưa. Những gì chúng tôi trình bày ở đây là những chương trình điều tiết được bảo tồn sâu thực sự được tồn tại và thật ra chúng phổ biến rộng rãi”.

Giải quyết một thách thức lâu dài trong bộ gen thực vật

Các yếu tố điều hoà cis thì ngắn và trải dài của DNA không mã hoá kiểm soát thời gian và vị trí gen được bật lên. Chúng có năng lực điều hành sự tiến hoá hình thái học.

Tuy nhiên, ở thực vật lịch sử tiến hoá của chúng vẫn chưa được hiểu rõ ràng.Các nhà khoa học biết rằng nhiều gen thuộc quá trình phát triển thể hiện vai trò tương tự trong nhiều loài. Tuy nhiên, những vùng điều tiết này thường là những vùng bảo tồn yếu ớt.

Hệ phát sinh của 284 loài thực vật được bao gồm trong dữ liệu Conservatory. Conservatory phát hiện khoảng 2,3 triệu trình tự DNA không mã hoá được bảo tồn thông qua 284 loài thực vật từ 72 họ, bao gồm hai lá mầm, một lá mầm, cây hạt trần và tảo. Minh hoạ bởi Giáo sư Madelaine Bartlett.

Hướng tiếp cận của dự án Bảo tồn kết hợp vi đồng liên kết gen, căn chỉnh dần, và lấy mẫu phát sinh chủng loại sâu để phát hiện DNA điều tiết được bảo tồn ngay khi các trình tự đã phân kỳ đáng kể.

Giáo sư Lippman cho biết: “Conservatory có thể ghi nhận được sự bảo tồn của các trình tự qua thời gian dài, trong khi đếm số lượng nhân bản gen và sự phân kỳ nhanh chóng. Điều này cho phép chúng ta nối lại những khoảng trống mà trước đây không thể vượt qua”. 

Các yếu tố điều tiết cổ đại ở thực vật xuất hiện rộng rãi

2,3 triệu CNSs, 3954 xuất hiện trước sự ra đời của thực vật có hoa, 633 có trước thực vật có hạt. CNSs cổ đại được tăng sinh tại các yếu tố điều hoà phát triển.

Sự phát triển của các yếu tố điều hoà cổ đại

Nghirên cứu này tìm thấy các CNSs được bảo tồn sâu tăng sinh mạnh mẽ gần các gen kiểm soát sự phát triển của thực vật, bao gồm các yếu tố phiên mã chủ chốt. Việc làm rối loạn các trình tự này có thể dẫn đến các khiếm khuyết phát triển nghiêm trọng, nhấn mạnh tầm quan trọng chức năng của chúng.

Để xác định vai trò chức năng của các liên kết giữa các CNSs được bảo tồn sâu – gen, họ tập trung vào các gen có vai trò chủ chốt trong quá trình hình thành phôi. Các nhà nghiên cứu sau đó đã đặt câu hỏi liệu các CNSs cổ đại này cũng đóng vai trò quan trọng trong các quá trình phát triển khác hay không.

Họ đã phân tích các yếu tố điều tiết đã được biết -cis, kiểm soát 8 yếu tố phiên mã tham gia trong sự phát triển của mô phân sinh, lá, hoa, và biểu bì. Trong mỗi trường hợp, các yếu tố điều tiết chức năng trùng lặp với các CNSs cổ đại được nhận diện bởi nền tảng Conservatory.

Một trong những ví dụ nổi bật nhất được tìm thấy trong vùng promoter WUSCHEL, đây là yếu tố điều hoà then chốt của quá trình duy trì tế bào gốc. Những yếu tố trong vùng promoter này đã được bảo tồn khoảng 300 triệu năm. Trong khi những vị trí chính xác của chúng đã thay đổi theo thời gian, trật tự tương đối của chúng vẫn đươc duy trì, thể hiện một sự kết hợp đáng kinh ngạc giữa tính ổn định và tính linh hoạt.

Tiến sỹ Amundson, đồng tác giả thứ nhất cho biết: “Những trình tự này không phải là những di tích bị đóng băng, chúng có thể di chuyển, nhân đôi, và đa dạng hoá, nhưng vẫn giữ được tính hợp lý điều tiết cần thiết cho sự phát triển”.

Các vị trí CNSs biến đổi nhưng sự đồng liên kết gen thì được bảo tồn.

Xem xét lại cách thức các gen được điều tiết

Nghiên cứu cũng đặt lại những giả định về vị trí các yếu tố điều tiết được phân lập. Trong số 25% của CNSs được tìm nằm cách hơn 25 kilobases so với các gen mà chúng điều tiết, thỉnh thoảng còn bỏ qua các gen lân cận.

Tiến sỹ Hendeman, đồng tác giả thứ nhất cho biết: “Điều này đề nghị rằng các cấu trúc báo cáo truyền thống có thể bỏ sót những vùng điều tiết quan trọng. Nó đặt ra các câu hỏi quan trọng về cách chúng ta nghiên cứu thực nghiệm về điều tiết gen ở thực vật”. Liệu chúng ta có đang bỏ lỡ các kiểu biểu hiện thực sự hay không?

Phân tích sâu hơn đã cho thấy các trình tự điều tiết mới thường xuất hiện theo sau quá trình nhân bản gen. Trong nhiều trường hợp, các gen được nhân bản sẽ phân kỳ một cách bất đối xứng: một bản sao giữ lại các điều tố điều tiết có nguồn gốc từ tổ tiên, trong khi bản còn lại tiếp nhận những yếu tố điều tiết mới. Một số dòng thực vật, bao gồm họ hoà thảo (Poaceae) đã trải qua sự phân kỳ mạnh mẽ ở giai đoạn đầu của quá trình tiến hoá. Sự tái cấu trúc điều tiết sâu rộng này có thể là nền tảng của sự tiến hoá hình thái của thực vật, một lĩnh vực giàu tiềm năng cho các khám phá trong tương lai.

Dữ liệu Conservatory của 284 loài thực vật có tại website:http://conservatorycns.com

Trương Thị Tú Anh theo Phòng Thí nghiệm Sainsbury.