Nghiên cứu bắt kịp loài thực vật phát triển nhanh nhất thế giới

 Nghiên cứu bắt kịp loài thực vật phát triển nhanh nhất thế giới 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org

Loài Wolffia, còn được gọi là bèo tấm, là loài thực vật phát triển nhanh nhất được biết đến, nhưng di truyền học tạo nên thành công của loài cây nhỏ kỳ lạ này từ lâu đã là một bí ẩn đối với các nhà khoa học. Giờ đây, nhờ những tiến bộ trong giải trình tự bộ gen, các nhà nghiên cứu đang tìm hiểu điều gì đã làm cho loài thực vật này trở nên độc đáo - và trong quá trình đó, khám phá ra một số nguyên tắc cơ bản về sinh học và sinh trưởng của thực vật.

Nỗ lực của nhiều nhà điều tra do các nhà khoa học từ Viện Salk dẫn đầu báo cáo những phát hiện mới về bộ gen của thực vật giải thích cách nó có thể phát triển nhanh. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Genome Research số tháng 2 năm 2021 sẽ giúp các nhà khoa học hiểu được cách thực vật đánh đổi giữa sự phát triển và các chức năng khác, chẳng hạn như rễ hướng địa và bảo vệ khỏi sâu bệnh. Nghiên cứu này có ý nghĩa đối với việc thiết kế các cây trồng hoàn toàn mới được tối ưu hóa cho các chức năng cụ thể, chẳng hạn như tăng lưu trữ carbon để giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu.

Todd Michael, tác giả đầu tiên của bài báo và là giáo sư nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sinh học Tế bào và Phân tử Thực vật của Viện Salk cho biết: “Rất nhiều tiến bộ trong khoa học đã được tạo ra nhờ các sinh vật thực sự đơn giản, như nấm men, vi khuẩn và giun đất. Ý tưởng ở đây là chúng ta có thể sử dụng một loại cây hoàn toàn đơn giản như Wolffia để hiểu các hoạt động cơ bản của những gì làm cho một cây trở thành thực vật".

Loài Wolffia, được tìm thấy mọc trong nước ngọt ở mọi lục địa, ngoại trừ Nam Cực, trông giống như những hạt nhỏ màu xanh lá nổi, với mỗi cây chỉ có kích thước bằng đầu đinh ghim. Nó không có rễ và chỉ có một cấu trúc thân lá hợp nhất được gọi là lá lược (cây dương xỉ). Nó sinh sản tương tự như nấm men, khi phần non đâm chồi từ cây mẹ. Với thời gian tăng gấp đôi chỉ trong một ngày, một số chuyên gia tin rằng Wolffia có thể trở thành một nguồn protein quan trọng để cung cấp cho dân số ngày càng tăng trên Trái đất. (Nó đã được ăn ở các vùng của Đông Nam Á, nơi nó được gọi là khai-nam, có nghĩa là "trứng nước".)

Để hiểu được sự thích nghi nào trong bộ gen của loài Wolffia dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của nó, các nhà nghiên cứu đã trồng cây theo chu kỳ sáng và tối, sau đó phân tích chúng để xác định gen nào hoạt động vào các thời điểm khác nhau trong ngày. (Hầu hết sự phát triển của thực vật được điều chỉnh bởi chu kỳ ánh sáng và bóng tối, với phần lớn sự phát triển diễn ra vào buổi sáng.)

Michael cho biết: “Đáng ngạc nhiên là Wolffia chỉ có một nửa số lượng gen quy định chu kỳ sáng/tối so với các loài thực vật khác. "Chúng tôi nghĩ rằng đây là lý do tại sao nó phát triển rất nhanh. Nó không có các quy định giới hạn thời gian nó có thể phát triển".

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các gen liên quan đến các yếu tố quan trọng khác của hành vi ở thực vật, chẳng hạn như cơ chế bảo vệ và sự phát triển của rễ, không hiện diện. Michael cho biết thêm: “Loại cây này đã loại bỏ hầu hết các gen mà nó không cần. Nó dường như đã phát triển để chỉ tập trung vào tăng trưởng nhanh, không kiểm soát".

Điều tra viên HHMI và Giáo sư Joseph Ecker, đồng thời là giám đốc Phòng thí nghiệm Phân tích Bộ gen của Salk và là đồng tác giả của bài báo cho biết: “Dữ liệu về bộ gen Wolffia có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về tác động qua lại giữa cách thực vật phát triển kế hoạch xây dựng cơ thể và cách chúng phát triển. Cây trồng này hứa hẹn trở thành một mô hình phòng thí nghiệm mới để nghiên cứu các đặc điểm trung tâm của hành vi thực vật, bao gồm cách các gen đóng góp vào các hoạt động sinh học khác nhau".

Một vấn đề trọng tâm trong phòng thí nghiệm của Michael là học cách phát triển các loại cây mới ngay từ đầu để chúng có thể được tối ưu hóa cho các hành vi nhất định. Nghiên cứu hiện tại mở rộng kiến thức về sinh học thực vật cơ bản cũng như mang lại tiềm năng cải thiện cây trồng và nông nghiệp. Bằng cách làm cho thực vật có khả năng lưu trữ carbon từ khí quyển trong rễ tốt hơn, một cách tiếp cận do Sáng kiến tiên phong khai thác thực vật của Salk, các nhà khoa học có thể tối ưu hóa thực vật để giúp giải quyết mối đe dọa của biến đổi khí hậu.