Các nhà khoa học tiết lộ bí mật di truyền của cây ngập mặn

 

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học và Công nghệ Okinawa (OIST) đã giải mã bộ gien của cây ngập mặn Bruguiera gymnorhiza, và tiết lộ cách loài này điều chỉnh gien để đối phó với căng thẳng. Phát hiện của họ, được công bố gần đây trên tạp chí New Phytologist, có thể được sử dụng để giúp các loài thực vật khác có khả năng chống chịu với căng thẳng tốt hơn.

Tiến sĩ Matin Miryeganeh, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại Cơ quan Di truyền Thực vật tại OIST cho biết: “Rừng ngập mặn là một hệ thống mô hình lý tưởng để nghiên cứu cơ chế phân tử đằng sau khả năng chịu đựng căng thẳng, vì chúng tự nhiên đối phó với các yếu tố căng thẳng khác nhau”.

Rừng ngập mặn là một hệ sinh thái quan trọng cho hành tinh, bảo vệ bờ biển khỏi bị xói mòn, lọc các chất ô nhiễm khỏi nước và là nơi sinh sản cho cá và các loài khác hỗ trợ sinh kế ven biển. Rừng ngập mặn cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc chống lại sự nóng lên toàn cầu, lưu trữ lượng các-bon nhiều gấp bốn lần trong một khu vực nhất định như một khu rừng nhiệt đới.

Bất chấp tầm quan trọng này, rừng ngập mặn đang bị chặt phá với tốc độ chưa từng có, và do sức ép của con người và nước biển dâng, rừng ngập mặn được dự báo sẽ biến mất trong vòng 100 năm tới. Và các nguồn tài nguyên gien có thể giúp các nhà khoa học cố gắng bảo tồn các hệ sinh thái này cho đến nay vẫn còn hạn chế.

Dự án rừng ngập mặn, được đề xuất ban đầu bởi Sydney Brenner, một trong những người sáng lập tổ chức OIST, bắt đầu vào năm 2016, với một cuộc khảo sát về cây ngập mặn ở Okinawa. Các nhà khoa học nhận thấy rằng cây ngập mặn Bruguiera gymnorhiza cho thấy sự khác biệt nổi bật giữa những cá thể sống ở ven biển, có độ mặn cao và những cá thể ở ven sông thượng nguồn, nơi nước lợ hơn.

Giáo sư Hidetoshi Saze, người chủ trì nghiên cứu cho biết: Ở gần đại dương, chiều cao của những cây này là khoảng một đến hai mét, trong khi ở xa hơn trên sông, cây cao tới bảy mét. Nhưng những cây ngắn hơn không khỏe mạnh - chúng ra hoa và kết trái bình thường - vì vậy chúng tôi nghĩ rằng việc thay đổi này là thích ứng, có lẽ cho phép cây chịu mặn đầu tư nhiều nguồn lực hơn để đối phó với môi trường khắc nghiệt của nó.

Không giống như sự thích nghi tiến hóa lâu dài, liên quan đến những thay đổi đối với trình tự di truyền, sự thích nghi với môi trường diễn ra trong vòng đời của một sinh vật xảy ra thông qua những thay đổi biểu sinh. Đây là những sửa đổi hóa học đối với ADN ảnh hưởng đến hoạt động của các gien khác nhau, điều chỉnh cách bộ gien phản ứng với các kích thích và căng thẳng khác nhau của môi trường. Các sinh vật như thực vật, không thể di chuyển đến một môi trường thoải mái hơn, chủ yếu dựa vào các thay đổi biểu sinh để tồn tại.

Trước khi tập trung vào cách thức điều chỉnh bộ gien, nhóm nghiên cứu đầu tiên đã trích xuất ADN từ cây ngập mặn Bruguiera gymnorhiza và giải mã bộ gien của loài này. Họ phát hiện ra rằng bộ gien chứa 309 triệu cặp bazơ, với dự đoán là 34,403 gien - một bộ gien lớn hơn nhiều so với bộ gien của các loài cây ngập mặn đã biết khác. Kích thước lớn phần lớn là do gần một nửa ADN được tạo thành từ các trình tự lặp lại.

Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra loại ADN lặp lại, họ phát hiện ra rằng hơn một phần tư bộ gien bao gồm các yếu tố di truyền được gọi là transposon, hay gien nhảy.

Giáo sư Saze giải thích: “Các chuyển vị hoạt động là các gien ký sinh có thể nhảy vào vị trí trong bộ gien, giống như các chức năng máy tính cắt và dán hoặc sao chép và dán. Khi nhiều bản sao của chính chúng được đưa vào bộ gien, ADN lặp đi lặp lại có thể hình thành hướng lên”.

Transposon là động lực lớn của quá trình tiến hóa bộ gien, tạo ra sự đa dạng di truyền, nhưng chúng là một con dao hai lưỡi. Sự gián đoạn hệ gien thông qua sự di chuyển của các chuyển vị có nhiều khả năng gây hại hơn là mang lại lợi ích, đặc biệt là khi cây đã bị căng thẳng, vì vậy cây ngập mặn nói chung có bộ gien nhỏ hơn các cây khác, với các chuyển vị bị ức chế.

Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp của cây Bruguiera gymnorhiza, các nhà khoa học suy đoán rằng vì loài ngập mặn này có thể không tiến hóa như vậy.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hoạt động của các gien, bao gồm cả các transposon, khác nhau như thế nào giữa các cá thể sống ở vùng ven biển có độ mặn cao và các cá thể ở vùng nước lợ ít mặn hơn ở thượng nguồn. Họ cũng so sánh hoạt động gien của các cây rừng ngập mặn được trồng trong phòng thí nghiệm, trong hai điều kiện khác nhau đã tái tạo mức độ mặn ven đại dương và thượng nguồn.

Nhìn chung, ở cả những cá thể sống ở đại dương và những cá thể được trồng trong điều kiện độ mặn cao trong phòng thí nghiệm, các gien liên quan đến việc ngăn chặn hoạt động của transposon cho thấy biểu hiện cao hơn, trong khi các gien thường thúc đẩy hoạt động của transposon cho thấy biểu hiện thấp hơn. Ngoài ra, khi nhóm nghiên cứu đặc biệt xem xét các transposon, họ đã tìm thấy bằng chứng về những thay đổi hóa học trên ADN của chúng làm giảm hoạt động của chúng.

Tiến sĩ Miryeganeh cho biết: “Điều này cho thấy một phương tiện quan trọng để đối phó với căng thẳng do nhiễm mặn là làm vô hiệu hóa các chuyển vị”.

Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy sự gia tăng hoạt động của các gien liên quan đến phản ứng căng thẳng ở thực vật, bao gồm cả những gien kích hoạt khi cây thiếu nước. Hoạt động của gien cũng cho thấy những cây bị stress có mức độ quang hợp thấp hơn.

Trong nghiên cứu tương lai, nhóm dự định sẽ nghiên cứu xem các mùa, sự thay đổi của nhiệt độ và lượng mưa cũng ảnh hưởng như thế nào đến hoạt động của hệ gien cây ngập mặn.

Giáo sư Saze cho biết: “Nghiên cứu này đóng vai trò như một nền tảng, cung cấp những hiểu biết mới về cách cây ngập mặn điều chỉnh bộ gien của chúng để đối phó với những áp lực khắc nghiệt. Cần nghiên cứu thêm để hiểu những thay đổi này trong hoạt động gien tác động như thế nào đến các quá trình phân tử trong tế bào và mô thực vật và một ngày nào đó có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các chủng thực vật mới có thể đối phó tốt hơn với căng thẳng”.

Nguyễn Minh Thu (Theo sciencedaily)

Theo: mard.gov.vn