Những gì xảy ra dưới lòng đất trên cánh đồng ngô rất dễ bị bỏ qua, nhưng cấu trúc rễ ngô có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc thu nhận nước và chất dinh dưỡng, ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn, hiệu quả sử dụng nước và tính bền vững. Nếu các nhà tạo giống có thể khuyến khích rễ ngô phát triển xuống ở góc dốc hơn thì cây trồng có thể tiếp cận được các nguồn tài nguyên quan trọng sâu hơn trong đất.
Bước đầu tiên hướng tới mục tiêu đó là tìm hiểu các gen liên quan đến lực hấp dẫn, sự phát triển của rễ để phản ứng với trọng lực. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà khoa học của Đại học Wisconsin, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois. xác định bốn gen như vậy ở ngô và cây mô hình Arabidopsis.
Khi một hạt giống nảy mầm được lật nghiêng, một số rễ sẽ đột ngột chuyển hướng dốc về phía trọng lực, trong khi những rễ khác quay chậm hơn một chút. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thị giác máy để quan sát những khác biệt nhỏ về trọng lực của rễ ở hàng nghìn cây con và kết hợp dữ liệu đó với thông tin di truyền của từng cây con. Kết quả đã lập bản đồ vị trí có thể có của các gen hướng trọng lực trong bộ gen.
Bản đồ đã đưa các nhà nghiên cứu đến đúng vùng lân cận trong bộ gen - vùng có vài trăm gen - nhưng họ vẫn còn lâu mới xác định được các gen cụ thể cho thuyết hấp dẫn. May mắn thay, họ có một công cụ có thể giúp ích.
“Bởi vì trước đây chúng tôi đã thực hiện thí nghiệm tương tự với cây Arabidopsis có quan hệ họ hàng xa nên chúng tôi có thể so sánh các gen trong các vùng liên quan của bộ gen ở cả hai loài. Các thử nghiệm tiếp theo đã xác minh danh tính của bốn gen làm thay đổi tính hướng trọng lực của rễ. Edgar Spalding, giáo sư tại Khoa Thực vật học tại Đại học Wisconsin và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết thông tin mới có thể giúp chúng tôi hiểu trọng lực hình thành nên kiến trúc hệ thống rễ như thế nào.
Matt Hudson, giáo sư tại Khoa Khoa học cây trồng tại Đại học Illinois và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết thêm: “Chúng tôi đã xem xét một đặc điểm chưa được nghiên cứu ở ngô có vai trò quan trọng vì một số lý do, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. . Và chúng tôi đã làm được điều đó bằng cách làm cho sự khác biệt về mặt tiến hóa giữa các loài thực vật có lợi cho chúng tôi.”
Ngô và cây Arabidopsis, một họ cải nhỏ được các nhà sinh học thực vật mô tả một cách thấu đáo, đã tiến hóa cách nhau khoảng 150 triệu năm trong lịch sử tiến hóa. Hudson giải thích rằng mặc dù cả hai loài đều có chung các chức năng thực vật cơ bản, nhưng các gen kiểm soát chúng có thể bị xáo trộn trong bộ gen theo thời gian. Điều đó hóa ra lại là một điều tốt cho việc thu hẹp các gen phổ biến.
Ở các loài có quan hệ gần gũi, các gen có xu hướng sắp xếp theo thứ tự gần giống nhau trong bộ gen (ví dụ: ABCDEF). Mặc dù các gen giống nhau có thể tồn tại ở các loài có quan hệ họ hàng xa, nhưng thứ tự các gen trong khu vực mà đặc điểm ánh xạ tới không khớp nhau (ví dụ: U GRZZ). Sau khi các nhà nghiên cứu xác định được vị trí cần tìm trong mỗi bộ gen, các trình tự gen không khớp đã khiến các gen phổ biến (trong trường hợp này là B) lộ ra.
Hudson nói: “Tôi nghĩ thật tuyệt vời khi chúng tôi có thể xác định được các gen mà lẽ ra chúng tôi không thể tìm thấy chỉ bằng cách so sánh khoảng cách giữa các gen ở các loài thực vật không liên quan”. “Chúng tôi khá tự tin rằng chúng là gen phù hợp khi xuất hiện ngay trong phân tích này, nhưng nhóm của Spalding sau đó đã mất bảy hoặc tám năm nữa để thu thập dữ liệu sinh học vững chắc để xác minh rằng chúng thực sự đóng một vai trò trong thuyết trọng trường. Sau khi thực hiện điều đó, tôi nghĩ chúng tôi đã xác thực toàn bộ phương pháp để trong tương lai, bạn có thể sử dụng phương pháp này cho nhiều kiểu hình khác nhau.”
Spalding lưu ý rằng phương pháp này có lẽ đặc biệt thành công vì các phép đo chính xác được thực hiện trong một môi trường chung.
Ông nói: “Thông thường, các nhà nghiên cứu ngô sẽ đo lường các đặc điểm quan tâm của họ trên một cánh đồng, trong khi các nhà nghiên cứu cây Arabidopsis có xu hướng nuôi cây trong buồng tăng trưởng”. “Chúng tôi đã đo kiểu hình trọng lực của rễ một cách có kiểm soát chặt chẽ. Những hạt giống này được trồng trên đĩa petri và quá trình thử nghiệm chỉ kéo dài hàng giờ, trái ngược với những đặc điểm mà bạn có thể đo lường trong thế giới thực vốn có thể thay đổi được.”
Ngay cả khi các đặc điểm có thể được đo lường trong một môi trường chung, không phải tất cả các đặc điểm đều là ứng cử viên sáng giá cho phương pháp này. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh những đặc điểm được đề cập phải là nền tảng cho chức năng cơ bản của thực vật, đảm bảo các gen cổ xưa giống nhau tồn tại ở các loài không liên quan.
Spalding cho biết: “Thuyết trọng lực có thể đặc biệt phù hợp để nghiên cứu thông qua phương pháp này bởi vì nó có thể là chìa khóa cho sự chuyên môn hóa ban đầu của chồi và rễ sau khi xâm chiếm đất liền thành công”.
Hudson lưu ý rằng thuyết hướng trọng lực cũng sẽ là chìa khóa để xâm chiếm một cảnh quan khác.
“NASA quan tâm đến việc trồng trọt trên các hành tinh khác hoặc trong không gian và họ cần biết bạn phải nhân giống để làm gì để làm được điều đó,” ông nói. “Thực vật khá rời rạc khi không có trọng lực.”
Bài báo “Tận dụng hình thái học ở cây ngô và QTL của cây Arabidopsis để xác định các gen ảnh hưởng đến sự biến đổi tự nhiên của tính hướng trọng lực” được xuất bản trên tạp chí Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia [DOI: 10.1073/pnas.2212199119]. Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia.
Khoa Khoa học Cây trồng thuộc Trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường tại Đại học Illinois Urbana-Champaign.
Một nguồn: https://www.sciencedaily.com