Tính trạng hạt bắt nguồn từ `vật chất tối` của bộ gen cây lúa

Nghiên cứu mới của Đại học Washington ở St. Louis và Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc cho thấy một lượng lớn các thay đổi liên quan đến thuần hóa trong lúa phản ánh sự lựa chọn các tính trạng được xác định bởi một phần của bộ gen không phiên mã protein. Ảnh: Joe Angeles, Đại học Washington tại St. Louis.

Lúa thuần hóa có hạt béo hơn với hàm lượng tinh bột cao hơn so với giống lúa hoang, kết quả của nhiều thế hệ gieo trồng và phân loại hạt. Mặc dù, lúa là cây trồng đầu tiên được giải trình tự đầy đủ, các nhà khoa học chỉ ghi nhận một vài thay đổi di truyền đã biến gạo thành một loại lương thực chính cho hơn một nửa dân số thế giới.

Nghiên cứu mới hiện nay phát hiện ra rằng một lượng lớn các thay đổi liên quan đến thuần hóa ở lúa phản ánh sự lựa chọn trên các tính trạng được xác định bởi một phần của bộ gen không phiên mã protein.

Xiaoming Zheng, một nhà sinh vật học thuộc Viện Khoa học Cây trồng thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc, là tác giả đầu tiên của bài báo mới xuất bản trên tạp chí Science Advances, "Các phân tích trên toàn bộ gen cho thấy vai trò của biến đổi không mã hóa ở các tính trạng phức tạp trong quá trình thuần hóa lúa". Qingwen Yang và Jun Liu, cũng thuộc Viện Khoa học Cây trồng và Kenneth M. Olsen từ Đại học Washington ở St. Louis cũng là tác giả của bài báo này.

RNA không mã hóa được hoài nghi đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều chỉnh sự tăng trưởng và phát triển, nhưng chúng chỉ bắt đầu là đặc điểm.

Olsen, giáo sư sinh học Khoa Nghệ thuật & Khoa học tại Đại học Washington, cho biết: "Mặc dù đã có gần 20 năm nghiên cứu về bộ gen và bộ gen cho phép thuần hóa cây trồng, chúng tôi vẫn biết rất ít về cơ sở di truyền của hầu hết các tính trạng thuần hóa ở hầu hết các loài cây trồng".

“Các nghiên cứu ban đầu có xu hướng về 'low-hanging fruit' - Những tính trạng đơn giản được kiểm soát bởi chỉ một hoặc hai gen với các đột biến dễ nhận biết", Olsen cho biết. "Khó khăn hơn nhiều là tìm ra những thay đổi phát triển tinh tế hơn, rất quan trọng đối với rất nhiều thay đổi trong quá trình thuần hóa cây trồng”.

"Nghiên cứu này cung cấp một bước theo hướng đó, bằng cách kiểm tra một cơ chế điều tiết rất quan trọng để điều chỉnh những thay đổi liên quan đến thuần hóa trong phát triển hạt gạo".

Đa dạng về tính trạng

Một tỷ lệ lớn DNA trong nhiễm sắc thể của nhiều loài thực vật và động vật bao gồm các gen không mã hóa các hướng dẫn để tạo ra protein đã lên tới 98% bộ gen cho bất kỳ loài nào. Nhưng thông tin di truyền này được hiểu rất ít. Một số nhà khoa học đã gọi thứ này là 'vật chất tối' của bộ gen, hoặc thậm chí loại bỏ nó như 'DNA thừa thãi' nhưng nó dường như đã đóng một vai trò lớn trong sự phát triển của cây lúa.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những thay đổi quan trọng xảy ra trong quá trình thuần hóa lúa hơn 9.000 năm trước có thể được gắn lại với các phân tử được gọi là RNA không mã hóa dài (lncRNA), một loại phân tử RNA có chiều dài hơn 200 nucleotide.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy khoảng 36% thông tin di truyền được ghi trong bộ gen cây lúa có thể được theo dõi trở lại các vùng không mã hóa, nhưng hơn 50% sự đa dạng của các tính trạng quan trọng đối với nông nghiệp có liên quan đến các khu vực tương tự.

"Lần đầu tiên, các LncRNA ở vùng không mã hóa của lúa canh tác và lúa hoang đã được chú thích và mô tả sâu sắc", Zheng cho biết.

"Các thí nghiệm chuyển gen và phân tích di truyền quần thể của chúng tôi chứng minh một cách thuyết phục rằng lựa chọn LncRNA đã góp phần thay đổi chất lượng hạt gạo thuần hóa bằng cách thay đổi biểu hiện của gen có chức năng tổng hợp tinh bột và sắc tố hạt", Bà nói.

Làm việc với hàng trăm mẫu lúa và hơn 260 Gbs trình tự, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật phát hiện nhạy cảm để định lượng và theo dõi mạnh mẽ quá trình sao chép LncRNA trên cây lúa. Nghiên cứu mới xác nhận một số LncRNA đã được xác định trước đó và cũng cung cấp thông tin mới về các phân tử không được mô tả trước đây.

Nghiên cứu mới này bổ sung thông tin cho sự suy đoán của một số nhà nghiên cứu rằng hầu hết sự khác biệt thích nghi giữa các nhóm thực vật hoặc động vật là do thay đổi quy định gen chứ không phải do tiến hóa protein.

"Dựa trên những phát hiện của chúng tôi, chúng tôi đã đề xuất rằng lựa chọn trên LncRNA có thể chứng minh là một cơ chế rộng lớn hơn theo đó các kiểu biểu hiện gen trên toàn bộ gen có thể tiến hóa ở nhiều loài", Zheng nói.

Nghiên cứu về lúa ở đây cũng mở mang tầm nhìn và có thể là cánh cửa mới để sản xuất các loại cây trồng và ngũ cốc mới thông qua nhân giống chính xác.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org.