Sự điều khiển thông qua bộ gen của cây trồng
Sự đa dạng của thực vật về các tính trạng liên quan đến chọn giống như chiều cao cây, năng suất và khả năng chống chịu sâu bệnh. Một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu cây trồng hiện nay là xác định sự khác biệt về thông tin di truyền có vai trò cho sự biến đổi này.
Một nhóm nghiên cứu về "Năng suất cây trồng" tại Viện Sinh lý học Phân tử ở trường Đại học Heinrich Heine Dusseldorf (HHU) và Viện Khoa học Carnegie tại Stanford hiện đã phát triển một phương pháp để xác định chính xác những khác biệt đặc biệt trong thông tin di truyền.
Thí điểm trên cây ngô, họ chứng minh tiềm năng to lớn phương pháp trên tạp chí Genome Biology và các vùng hiện diện trong bộ gen của cây ngô làm tăng năng suất và khả năng kháng sâu bệnh trong quá trình chọn lọc giống.
Việc xác định cho tất cả các loài sinh vật được mã hóa dựa vào DNA của chúng. Điều này bao gồm các gen mã hóa protein và xác định các đặc điểm vốn có của sinh vật. Ngoài ra, còn có các vị trí quan trọng khác của DNA, đặc biệt là các vùng kiểm soát sự điều hòa của gen, nghĩa là khi dưới điều kiện nào và ở mức độ nào thì gen được kích hoạt.
So với các gen, mặc dù những vùng điều hoà này còn được biết đến như là “các yếu tố CIS" rất khó tìm. Những thay đổi chính xác về các yếu tố DNA này giữ vai trò chính cho sự khác biệt giữa các sinh vật và sự khác biệt của thực vật khác nhau …
Trong vài thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng các vùng điều hoà là các vị trí liên kết của các protein đặc biệt. Được biết đến như là các yếu tố phiên mã, chúng xác định thời điểm và khoảng cách của các gen được kích hoạt.
Đồng tác giả, tiến sỹ Thomas Hartwig, người đứng đầu nhóm nghiên cứu Năng suất cây trồng tại Viện Sinh lý học Phân tử của HHU và Viện Nghiên cứu Nhân giống Cây trồng Max Planck (MPIPZ) ở Cologne cho biết: “Việc tìm ra một vài biến thể làm chìa khóa giúp thay đổi các tính trạng như khả năng kháng sâu bệnh giữa hàng triệu sự khác biệt trong bộ gen là rất khó khăn”.
Giáo sư, tiến sỹ Zhi-Yong Wang người đứng đầu nhóm nghiên cứu cho rằng: “Không giống như các gen mã hóa protein, các vị trí điều hòa thường không thể được xác định chỉ dựa trình tự đơn. Điều này khiến chúng rất khó xác định chính xác. Phương pháp của chúng tôi sử dụng thực vật lai để đánh giá tác động trực tiếp của sự biến đổi trong trình tự DNA với liên kết yếu tố phiên mã”.
Nghiên cứu được phát triển với sự hợp tác của các nhà khoa học từ Viện Nghiên cứu Di truyền Thực vật và Cây trồng Leibniz (IPK) ở Gatersleben cũng như từ Đại học Nebraska-Lincoln và Đại học Bang Iowa, Hoa Kỳ.
Sử dụng giống lai, thế hệ thực vật đầu tiên (F1) được tạo ra bằng cách lai tạo hai giống, nhóm nghiên cứu có thể so sánh các vùng điều khiển khác nhau trên toàn bộ gen được liên kết trong toàn bộ gen. Đồng tác giả tiến sỹ Julia Engelhorn cho rằng: “Phương pháp phân tích của chúng tôi cho phép chúng tôi đo lường chính xác liệu các yếu tố phiên mã có liên kết nhiều hơn với bộ gen của bố, mẹ hay không”. Quy trình này cũng cho phép nhóm xác định hàng nghìn sự khác biệt liên quan đến các tính trạng, chẳng hạn như năng suất và khả năng kháng sâu bệnh ở ngô.
Công nghệ này đã được chứng minh yếu tố phiên mã brassinosteroid, một loại hormone liên quan đến sự tăng trưởng kéo dài của tế bào thực vật và chống chịu bệnh. Giám đốc viện, giáo sư, tiến sỹ Wolf B. Frommer cho biết: “Nhóm nghiên cứu đã xác định được hàng nghìn sự khác biệt trong hệ gen có thể giải thích tại sao một giống ngô có sự khác nhau về năng suất hoặc khả năng kháng bệnh. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu có thể chỉ ra rằng những khác biệt này gần như tương đương nhau về mặt di truyền và ngoại di truyền (di truyền các thế hệ không thuộc gen)”. Sau đó mô tả các quá trình ảnh hưởng đến hoạt động của gen mà không được mã hóa trong chính chuỗi DNA.
Một kết quả đạt được của nghiên cứu là danh sách hơn 6.000 vùng gen có thể được nhắm mục tiêu trong chọn nhân giống cây trồng. Chúng có thể bao gồm các vùng thông qua các tính trạng tốt được thể hiện ở một số giống ngô nhất định mà các loại cây trồng khác không có.
Hartwig nói: "Biết được vị trí trong bộ gen ứng dụng trong công tác chọn giống, nhân giống hiện đại để chuyển các đặc điểm tính trạng từ một số giống này sang các giống khác có tầm quan trọng rất lớn trong công nghệ sinh học. Nghiên cứu của chúng tôi có thể đóng vai trò là hướng dẫn về cách tìm ra những vị trí mong muốn có lợi trong bộ gen”.
Giáo sư Frommer cho biết thêm: “Kết quả nghiên cứu đặt nền móng cho việc sử dụng các kỹ thuật hiện đại để tạo ra các giống ngô mới bằng cách kết hợp các tính trạng tối ưu mong muốn”.
Sự phân bố của mBZR1 bắt cặp liên kết với đoạn gen phiên mã. Tần xuất cực đại kéo dài của liên kết ZmBZR1 lên tới 10 kb lên hoặc điểm cuối của TSS hoặc TTS và vùng nội sinh, tương ứng. b ChIP-seq (giải trình tự ChIP) đã xác định được ZmBZR1 liên kết ở gần các mục tiêu giả định được giới hạn (BR6ox2/BRD1), cảm biến (IAA19) hoặc BR không được kiểm soát (CNX5). Đường màu đen hiển thị số lần đọc của ChIP BZR1 được chuẩn hóa (số lần đọc trên mỗi bộ gen, RPGC) và đường màu đỏ mô tả đối chứng hướng âm (anh chị em không chuyển gen). Các gen được mô tả bằng màu xanh lam, mũi tên đen chỉ hướng phiên mã. c , d Điều gây chú ý ZmBZR1 điểm gắn, BRRE (CGTG[C/T]G) và G-box (CACG[A/T]G) (c) BRRE được biết chung vị trí tại vị trí TCP TF của nhóm 1 (GG[ A/C]CCA) và (GTGGGC) nhóm 2 (d) được xác định bởi GEM. e Các mục tiêu trực tiếp và không trực tiếp của ZmBZR1. Hiển thị là sự chồng chéo của BZR1 ChIP-seq ( trình tự ChIP) và RNA-seq (trình tự RNNA) của đột biến brd1 thiếu BR +/− BR. f Bảo tồn các mục tiêu BZR1 giữa Arabidopsis và ngô (Arabidopsis orthologs). g Bảo tồn cây Arabidopsis và ngô (Arabidopsis orthologs) Các gen điều hòa tăng và giảm BR H Sự chồng chéo của các gen mục tiêu BZR1 phản ứng BR (B) và không phản ứng (N) chính thống (T) và các gen không phải mục tiêu (N) trong cây Arabidopsis (At) và ngô (Zm). Mã màu cho biết mức độ làm giàu gấp so với kỳ vọng ngẫu nhiên (màu xanh lam, mức độ làm giàu thấp đến màu đỏ, mức độ làm giàu cao). e Các số biểu thị p -giá trị có ý nghĩa của sự làm giàu này giả sử phân phối siêu hình học. i Sơ đồ nhiệt của các gen mục tiêu trực tiếp của BZR1 trong cây Arabidopsis và ngô do BR gây ra (màu xanh lá cây) hoặc ức chế (màu đỏ) ở ngô. Nhìn chung, 65% các ortholog 1:1 và 72% các ortholog 1:2 sao chép các mục tiêu BZR1 trực tiếp giữa Arabidopsis và ngô, tương ứng, cho thấy cùng một hướng quy định BR.
