Nghiên cứu mới về khả năng chịu lạnh của cây lúa
Một nghiên cứu đột phá về khả năng chịu lạnh của cây lúa góp thêm bằng chứng thách thức quan điểm trước đây cho rằng “chọn lọc tự nhiên” là tác nhân duy nhất trong tiến hóa và thích nghi.
Cây lúa có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới nhưng nay đã được trồng khắp nơi, thậm chí cả ở những vùng đất lạnh. Shanjie Tang – nhà di truyền học thực vật tại Viện Di truyền và Sinh học Phát triển thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (Bắc Kinh) cùng các cộng sự muốn tìm hiểu cách cây lúa có được khả năng này.
Họ tìm thấy một giống lúa châu Á (Oryza sativa L.) đặc biệt nhạy cảm với thời tiết lạnh, khi trồng trong môi trường lạnh sẽ tạo ra ít hạt có khả năng nảy mầm hơn. Khi cây chuẩn bị bước vào giai đoạn sinh sản (từ thời điểm phân hóa đòng đến khi trổ bông), nhóm đưa chúng vào phòng lạnh -15°C trong bảy ngày rồi chuyển về môi trường tự nhiên. Hạt giống được thu thập từ những cây tạo nhiều hạt nhất, rồi thế hệ tiếp theo cũng phải chịu điều kiện lạnh tương tự. Nhóm phát hiện rằng đến thế hệ thứ ba, giống lúa bắt đầu tạo nhiều hạt hơn, bất chấp điều kiện lạnh giá. Khả năng này được duy trì qua năm thế hệ khi các nhà nghiên cứu tiếp tục làm thí nghiệm.
Tang hết sức ngạc nhiên trước tốc độ phát triển khả năng chịu lạnh của cây lúa, nhanh hơn nhiều so với quá trình thích nghi thông qua chọn lọc tự nhiên.
Để loại trừ khả năng sự thích nghi này là kết quả của thay đổi đặc tính di truyền, nhóm đã giải trình tự gene của cả cây chịu được lạnh cũng như cây không được đưa vào phòng lạnh và không phát triển khả năng chịu lạnh tương tự. Kết quả, họ không phát hiện khác biệt nào về di truyền có thể giải thích khả năng chịu lạnh.
Sau đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục tìm kiếm sự khác biệt giữa hai nhóm cây về các dấu hiệu biểu sinh (epigenetic) – các phân tử nhỏ có thể điều chỉnh hoạt động của gene. Họ phát hiện cây chịu được lạnh có ít hợp chất hóa học hơn trên một gene cụ thể, gọi là Acquired Cold Tolerance 1 (ACT1), so với cây không chịu được lạnh. Khi họ vô hiệu hóa các hợp chất hóa học này trên cây thường, cây chịu lạnh tốt hơn. Khi cho các hợp chất hóa học hoạt động trở lại, cây mất khả năng chịu lạnh. “Đây là minh chứng trực tiếp cho mối quan hệ nhân quả. Lần đầu tiên có bằng chứng như vậy,” theo Leandro Quadrana – nhà di truyền học thực vật tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp.
Tiếp theo, nhóm phân tích sự thay đổi về số lượng hợp chất hóa học trên gene ACT1 ở 131 giống lúa được trồng khắp Trung Quốc. Kết quả, hầu hết các giống lúa ở vùng lạnh nhất phía bắc có ít hợp chất hóa học hơn so với mức trung bình, trong khi hầu hết các giống lúa ở ven biển phía nam, nơi khí hậu ấm hơn, có nhiều hợp chất hóa học hơn. Điều này gợi ý rằng đặc điểm chịu lạnh được chọn lọc và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình cây lúa di cư về phương bắc.
Ngoài cây trồng, cơ chế di truyền biểu sinh – được xác định bởi các yếu tố môi trường – còn xuất hiện ở động vật, tuy nhiên hầu hết liên quan đến bệnh tật chứ không phải là những thích nghi có lợi như trường hợp của giống lúa chịu được lạnh. Ví dụ, con của chuột mẹ tiếp xúc thuốc diệt nấm dễ mắc bệnh hơn; chuột đực được huấn luyện để sợ một mùi hóa chất thì con của nó cũng nhạy cảm hơn với mùi đó. Và mỗi năm đều có thêm nhiều nghiên cứu thuyết phục cộng đồng khoa học rằng di truyền biểu sinh là có thật, như nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Cell của nhóm Tang.
Trang Anh
