Bằng cách so sánh hàng trăm bộ gen thực vật, các nhà nghiên cứu đã xác định được hơn 2,3 triệu trình tự ADN điều hòa hoạt động như các công tắc di truyền, kiểm soát thời điểm và cách thức kích hoạt gen. Các trình tự này, được gọi là trình tự không mã hóa được bảo tồn (CNS), được phát hiện bằng một công cụ tính toán mới có tên là Conservatory.
Hầu hết mọi người đều quen thuộc với khái niệm không gian sâu thẳm, nhưng các nhà khoa học cũng nghiên cứu một thứ gọi là thời gian sâu thẳm. Những tiến bộ trong di truyền học hiện cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi những thay đổi sinh học sâu xa hơn nhiều trong quá khứ so với trước đây. Ngay cả với những công cụ mạnh mẽ này, nhiều câu hỏi vẫn chưa có lời giải đáp. Một trong những câu đố lâu đời nhất đã thách thức các nhà sinh học trong nhiều thập kỷ.
Gen và chức năng của chúng thường duy trì sự tương đồng đáng kể giữa các loài, ngay cả khi các loài đó đã phân kỳ hàng trăm triệu năm trước. Mô hình này xuất hiện ở cả thực vật và động vật. Tuy nhiên, sự nhất quán tương tự dường như không áp dụng cho DNA kiểm soát thời điểm bật hoặc tắt gen. Các nhà khoa học đã phải vật lộn để xác định liệu loại DNA này, được gọi là DNA điều hòa, có được bảo tồn ở thực vật trong suốt thời kỳ tiến hóa dài hay không. Trong nhiều năm, một số nhà nghiên cứu tin rằng sự bảo tồn như vậy có thể không tồn tại ở thực vật. Những phát hiện mới cho thấy điều ngược lại.
Khám phá DNA điều hòa cổ đại ở thực vật
Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature bởi Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (CSHL) và các cộng tác viên trên toàn thế giới đã xác định được hơn 2,3 triệu trình tự DNA điều hòa vẫn được bảo tồn trên 314 bộ gen thực vật từ 284 loài. Các trình tự này được gọi là trình tự không mã hóa được bảo tồn (CNS). Nhóm nghiên cứu đã xác định vị trí của chúng bằng cách sử dụng một công cụ tính toán mới có tên là Conservatory, được phát triển thông qua sự hợp tác giữa các phòng thí nghiệm của Idan Efroni tại Đại học Hebrew, Madelaine Bartlett tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge và Zachary Lippman tại CSHL.
Một số CNS này dường như cực kỳ cổ xưa. Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng cho thấy một số trình tự nhất định có nguồn gốc từ trước khi thực vật có hoa tách ra khỏi tổ tiên không có hoa của chúng hơn 400 triệu năm trước.
So sánh hàng trăm bộ gen thực vật
Làm thế nào các nhà khoa học có thể phát hiện ra một số lượng lớn các trình tự điều hòa ẩn giấu trước đây như vậy?
Các nhà nghiên cứu đã tập trung vào việc kiểm tra cấu trúc và thành phần của các nhóm gen ở quy mô rất nhỏ. Bằng cách so sánh cách sắp xếp các cụm gen này trên hàng trăm bộ gen thực vật và theo dõi các mô hình của chúng từ các loài tổ tiên đến thực vật hiện đại, họ đã có thể phát hiện ra các yếu tố được bảo tồn mà các phương pháp trước đây đã bỏ sót.
Anat Hendelman, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại CSHL và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết nhóm nghiên cứu rất ngạc nhiên khi thấy có bao nhiêu trình tự điều hòa này đã tồn tại mà không được phát hiện. "Việc phân tích và chỉnh sửa gen các CNS này đã xác nhận chúng rất cần thiết cho chức năng phát triển của cây," Hendelman nói.
Ba quy tắc quan trọng về sự tiến hóa của DNA điều hòa ở thực vật
Nghiên cứu cũng tiết lộ ba mô hình quan trọng giúp giải thích cách CNS tiến hóa trong bộ gen thực vật.
Thứ nhất, mặc dù khoảng cách vật lý giữa các trình tự này có thể thay đổi, nhưng thứ tự của chúng dọc theo nhiễm sắc thể có xu hướng nhất quán.
Thứ hai, khi bộ gen thực vật được sắp xếp lại trong quá trình tiến hóa, CNS có thể liên kết với các gen khác nhau.
Cuối cùng, các CNS cổ đại thường vẫn tồn tại sau khi các gen được nhân đôi, đây là động lực chính của sự tiến hóa bộ gen và họ gen thực vật.
"Đây thực sự là một lý do tại sao CNS không thể được phát hiện bằng các phương pháp tương tự được sử dụng ở động vật," Lippman giải thích. "Chúng tôi không chỉ tìm ra các CNS (trình tự không mã hóa được bảo tồn) bằng phương pháp đột phá này. Chúng tôi còn phát hiện ra rằng các trình tự điều hòa mới thường xuất phát từ các CNS cũ đã được sửa đổi sau quá trình nhân đôi gen. Điều này giúp giải thích cách các yếu tố điều hòa mới xuất hiện”.
Một tập bản đồ mới cho sinh học thực vật và khoa học cây trồng
Dự án Conservatory đã tạo ra cái mà các nhà nghiên cứu mô tả là “một tập bản đồ toàn diện về sự bảo tồn điều hòa trên khắp các loài thực vật, bao gồm hàng chục loài cây trồng và tổ tiên hoang dã của chúng”. Các nhà sinh học thực vật và các cộng tác viên của CSHL giờ đây có thể sử dụng nguồn tài nguyên này để khám phá cách DNA điều hòa đã được bảo tồn và định hình lại trong quá trình tiến hóa của thực vật.
Những phát hiện này có thể đặc biệt có giá trị đối với các nhà lai tạo giống cây trồng đang cố gắng giải quyết các thách thức như hạn hán và thiếu lương thực. Tuy nhiên, tầm quan trọng của khám phá này còn vượt xa lĩnh vực nông nghiệp. "Đây là một cửa sổ mới mở ra sự tiến hóa của sự sống qua hàng triệu năm và một cơ hội mới để thiết kế hoặc tinh chỉnh các đặc điểm cây trồng hiệu quả hơn,” Lippman kết luận.
