Phát hiện hai bước tiến hoá giúp cải xoong thale dại hấp thụ chất dinh dưỡng dễ dàng hơn
Đây là một trường hợp đặc biệt về sự thích nghi bằng cách sửa chữa các đột biến có lợi mới theo trình tự trong quần thể thực vật hoang dã. Khám phá này sẽ gợi mở nhiều hướng đi mới trong tương lai trong lĩnh vực sinh học tiến hóa và cải tiến cây trồng.
Cải xoong thale (Arabidopsis thaliana) tại Vườn Bách thảo Paris. Ảnh: Marie-Lan Nguyen/Wikimedia Commons
Một nhóm nghiên cứu quốc tế do Angela Hancock thuộc Viện Max Planck về Nghiên cứu Giống cây trồng ở Cologne (Đức) dẫn dắt đã nghiên cứu một quần thể cải xoong thale dại (Arabidopsis thaliana) mọc trên một núi lửa dạng tầng (stratovolcano) đang hoạt động ở Đảo Fogo. Họ phát hiện ra rằng một quá trình phân tử gồm hai bước đã tái thiết quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng trong quần thể.
Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Science Advances, là một trường hợp đặc biệt về sự thích nghi bằng cách sửa chữa các đột biến có lợi mới theo trình tự trong quần thể thực vật hoang dã. Khám phá này sẽ gợi mở nhiều hướng đi mới trong tương lai trong lĩnh vực sinh học tiến hóa và cải tiến cây trồng.
Thích nghi với môi trường đất mới
Quá trình cân bằng nội môi chất dinh dưỡng vô cùng quan trọng đối với sự phát triển của cây, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng. Việc xác định chính xác những thay đổi về di truyền cho phép thực vật phát triển trong điều kiện đất lạ sẽ cung cấp cho các nhà khoa học những thông tin chuyên sâu về quá trình quan trọng này. Tuy nhiên, với kích thước khổng lồ của một bộ gen, rất khó để họ xác định cụ thể đâu là biến thể chức năng giúp cây thích ứng với môi trường mới. “Trong trường hợp này, chúng tôi muốn biết: Cải xoong cần có yếu tố gì để tồn tại và sinh trưởng dưới chân núi lửa đang hoạt động? Các loài thực vật đã thích nghi với đất núi lửa Fogo như thế nào?”, Hancock nói.
Nhóm nghiên cứu đã có những phát hiện đáng ngạc nhiên. “Các cây cải xoong mọc ở Fogo sinh trưởng tốt trong môi trường tự nhiên hoang dã nhưng lại phát triển kém trong đất trồng cây tiêu chuẩn”, Emmanuel Tergemina, tác giả thứ nhất của nghiên cứu, cho biết. Phân tích hóa học trong đất Fogo cho thấy đây là đất nghèo mangan, một nguyên tố quan trọng trong sản xuất năng lượng và sự phát triển của cây trồng. Trong khi đó, nếu mang cải xoong ở núi lửa Fogo trồng trên đất trồng cây tiêu chuẩn, lá của chúng sẽ chứa hàm lượng mangan rất cao, chứng tỏ cây đã phát triển một cơ chế để tăng khả năng hấp thụ mangan.
Hai bước tiến hóa để thích nghi
Nhằm khám phá các bước phân tử cho phép thực vật sinh sống trên vùng đất nghèo mangan của Fogo, các nhà khoa học đã kết hợp phương pháp lập bản đồ gen và phân tích tiến hoá.
Trong bước tiến hóa đầu tiên, một đột biến đã gây gián đoạn gen vận chuyển sắt sơ cấp (IRT1), loại bỏ chức năng của nó. Đây là điều đáng lưu ý, vì gen quan trọng này tồn tại nguyên vẹn trong tất cả các quần thể cải xoong khác trên toàn thế giới – lần đầu tiên các nhà khoa học ghi nhận được sự gián đoạn chức năng của gen này. Hơn nữa, các dạng biến đổi di truyền trong vùng gen IRT1 cho thấy rằng biến thể bị gián đoạn của IRT1 rất quan trọng với quá trình thích nghi. Sử dụng công nghệ CRISPR-Cas9, các nhà nghiên cứu nhận thấy sự gián đoạn IRT1 ở Fogo chính là nguyên nhân giúp gia tăng khả năng hấp thụ mangan ở lá.
Trong bước tiến hóa thứ hai, gen vận chuyển kim loại NRAMP1 được nhân đôi nhiều lần. Hiện tại, gần như tất cả các cây cải xoong ở Fogo đều mang nhiều bản sao của NRAMP1 trong bộ gen của chúng. Điều này giúp khuếch đại chức năng gen NRAMP1, tăng cường vận chuyển sắt và bù đắp tình trạng thiếu hụt sắt do sự gián đoạn IRT1 gây ra. “Chúng giúp cân bằng nội môi chất dinh dưỡng, một yếu tố quan trọng trong quá trình thích nghi”, Hancock nhận định. “Nhìn chung, kết quả của chúng tôi đã minh hoạ đặc biệt rõ ràng về cách những thay đổi di truyền đơn giản có thể điều chỉnh quá trình xử lý chất dinh dưỡng trong thực vật, cho phép chúng thích nghi với môi trường đất mới.”
“Hoá ra một quy trình hai bước đơn giản cũng có thể làm thay đổi quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng, điều này chứng tỏ chúng ta có thể tìm kiếm phương án đơn giản nào đó giúp cải thiện cây trồng, để chúng sinh trưởng thuận lợi hơn trong môi trường đất địa phương. Hơn nữa, quá trình phá vỡ gen và khuếch đại gen, như trong trường hợp IRT1 và NRAMP1 ở cải xoong Fogo, khá đơn giản đối với các nhà nghiên cứu, họ có thể học hỏi để ứng dụng lên các loài cây trồng khác,” Tergemina gợi mở.
Đinh Trang dịch
Nguồn: Two-step molecular process rewires nutrient transport in wild thale cress
