Các nhà sinh học phân tử thực vật nghiên cứu gen giúp cây phát triển trong đất thiếu nitơ

Ngày:29/08/2013
Trong một nghiên cứu nhằm xác địnhcác gen gen quan trọng trong sự phát triển rễ cây dương, ba nhà khoa học tại đại học công nghệ Michigan đã đưa ra một mô hình mới cho cách thức mà gen tương tác và ảnh hưởng đến chức năng của nhau. Họ cũng xác định được một hệ thống các gen là nguyên nhân giúp rễ cây dương phát triển tốt trong đất thiếu nitơ, khiến cho chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho việc trồng cây nhiên liệu sinh học trên các vùng đất khó trồng trọt.
Nghiên cứu, thực hiện bởi Hairong Wei, Yordan Yordanov và Victor Busov, được công bố trên tạp chí New Phytologist với tiêu đề “Sự thiếu hụt nitơ thúc đẩy tăng trưởng rễ cây dương thông qua việc tái lập trình toàn bộ các bản phiên mã và kích hoạt hệ thống gen phân cấp.”
Khi các nhà nghiên cứu ở đại học công nghệ Michigan và khoa Khoa học môi trường và Tài nguyên rừng bắt đầu xem xét vấn đề về cách thức mà nitơ – được sử dụng rộng rãi như là một loại phân bón nông nghiệp – ảnh hưởng đến sự phát triển rễ thực vật, mục tiêu của họ là tìm cách để tạo ra các loại cây cần ít nitơ.
“Việc triển khai bón phân đạm như hiện nay không phải là một cách thông minh về mặt môi trường hay kinh tế,” Busov, người nghiên cứu chức năng bộ gen của sự phát triển thực vật, nói. “Chỉ có 30 phần trăm được sử dụng bởi các thực vật, phần còn lại đi vào nước ngầm. Nó thay đổi đất và làm gia tăng sự nở hoa tảo, khí nhà kính và các loại côn trùng như muỗi mang bệnh.”
Các nhà khoa học muốn phát triển các loại cây sử dụng nitơ hiệu quả hơn, vì vậy nitơ được sử dụng làm phân bón ít hơn. Nhưng trước tiên họ phải mở khóa bí mật về các cơ chế di truyền nằm bên dưới sự phát triển rễ thực vật.

Victor Busov (bên trái), Yordan Yordanov (ở giữa) và Hairong Wei (bên phải),đang kiểm tra cây dương thí nghiệm của họ.
(Ảnh: Đại học công nghệ Michigan)
“Không ai biết các cơ chế về ảnh hưởng của nitơ thấp đến rễ cây như thế nào,” Busov giải thích.Họ đã chuyển sang sử dụng cây dương cho các nghiên cứu của mình, vì nó là một cây trồng nhiên liệu sinh học chủ yếu.
Có hàng chục ngàn gen trong bộ gen của cây dương và vấn đề lớn là làm thế nào để xác định gen nào đang làm gì, chúng ảnh hưởng lẫn nhau và hoạt động với nhau như thế nào để điều hòa sự phát triển rễ dưới điều kiện nitơ thấp.
Wei, một nhà sinh học phân tử, cũng có kiến thức rộng về khoa học máy tính, và ông là người lão luyện trong việc áp dụng nó để xử lý các tập hợp dữ liệu sinh học lớn. Ông đã nhận nhiệm vụ gỡ rối sự tương tác của hơn 61.000 gen bằng cách tìm kiếm một “nhân tố điều hòa phân cấp cao”, hay gen “chủ”.
Trong phòng thí nghiệm của họ ở đại học công nghệ Michigan, Busov và Yordanov trồng cây dương con dưới các mức độ nitơ bình thường. Sau đó, họ chuyển chúng vào một môi trường hầu như không có nitơ. Điều gì đã xảy ra? ” Thật đáng ngạc nhiên, các rễ đã lớn và dài hơn,” Yordanov nói. “Chúng tôi nghĩ rằng rễ đang tìm kiếm nitơ,” Busov cho biết. “Tuy nhiên, bộ máy di truyền đằng sau sự tăng trưởng này là gì?”
Các nhà khoa học đã làm một loạt các thí nghiệm theo thời gian với các điều kiện thí nghiệm như nhau, để xác định các gen liên quan đến sự thay đổi mà họ quan sát được. Họ tìm thấy 9.198 gen sản xuất các loại protein tại sáu thời điểm khác nhau. Bằng cách thực hiện các phân tích hệ thống di truyền, họ đã thu hẹp nghiên cứu với một số ít các gen quan trọng có vẻ như đã kiểm soát phần lớn các gen khác.
Phân tích sâu hơn trên một gen được gọi là PtaNAC1. “Khi chúng tôi ngắt gen này, toàn bộ hệ thống đáp ứng, và các rễ phát triển hơn 58 phần trăm so với nhóm đối chứng,” Busov nói.
Busov ví quá trình này với hoạt động của một loại máy. “Có một công tắc chính để bật động cơ,” ông nói. “Động cơ kích hoạt công tắc khác làm cho tất cả các bánh răng nhỏ và hộp số trong máy làm những gì chúng có nghĩa vụ phải làm.” Công việc của Wei với hệ thống di truyền gây ra sự phát triển rễ “đã cung cấp cho chúng tôi một công tắc lớn,” Busov nói.
Hiện tại các nhà khoa học đã hiểu được “động cơ”di truyền của cây dương, họ có thể làm việc để phát triển các giống cây trồng mới có thể phát triển mạnh trên những vùng đất khó trồng trọt. “Chúng tôi muốn phát triển cây dương thậm chí phát triển hiệu quả hơn trong môi trường ít nitơ,” Yordanov nói.
Có một lợi ích khác để phát triển các thực vật thích điều kiện thiếu nitơ là chúng có thể hút nitơ dư thừa từ phân bón cây trồng ra khỏi nước ngầm. “Điều đó tốt cho cả thực vật và môi trường tự nhiên”, các nhà nghiên cứunhận xét.
Xuân Dũng
  1. Phương thức mới giúp thực vật kiểm soát sự ra hoa
  2. “Bản thỏa thuận Hợp tác nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực công nghệ sinh học nông nghiệp”
  3. Cây biến đổi gen phát triển không ngừng
  4. Lễ ký kết “Bản thỏa thuận Hợp tác nghiên cứu, đào tạo trong lĩnh vực nông nghiệp”
  5. Buổi lễ ký kết “Hợp tác nghiên cứu, đào tạo và chuyển giao công nghệ” với Viện Sinh học Nhiệt đới