Thực vật thường xuyên đối mặt với các tác nhân bất lợi từ môi trường sống như nhiệt độ, ánh sáng, dinh dưỡng và nước. Để đối phó với những thách thức này, thực vật đã phát triển các cơ chế cảm biến phức tạp thông qua các con đường tín hiệu và hệ thống phiên mã đối với các yếu tố môi trường. Các bất lợi về môi trường thường xuyên xảy ra và lặp đi lặp lại, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra thực vật có khả năng ghi nhớ những stress đã từng trải qua và sử dụng những ký ức này để thích ứng một cách tốt hơn khi gặp lại những thách thức mới, hiện tượng này được gọi là “stress memory” (một cơ chế giúp ghi nhớ điều kiện bất lợi ở thực vật). Hơn nữa sự ghi nhớ này có thể được di truyền cho các thế hệ sau, hiện tượng này được gọi là “transgenerational effect” (hiệu ứng di truyền xuyên thế hệ) hoặc “transgenerational stress memory” (sự ghi nhớ stress xuyên thế hệ) (Wibowo và cs., 2016). Về mặt cơ chế di truyền, ngày càng nhiều các bằng chứng chỉ ra cơ chế ngoại di truyền (epigenetics mechanisms) đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển sự biểu hiện gen thông qua sự methyl hóa ADN, biến đổi histone và các ARN nhỏ (small ARNs), chịu trách nhiệm chính cho các hiện tượng trên để đáp ứng và thích nghi với điều kiện bất lợi ở thực vật. Tuy nhiên, thông tin về vấn đề này đối với lĩnh vực nông nghiệp còn rất hạn chế, đặc biệt là các stress về dinh dưỡng.

Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung phân tích sự thích ứng và phản ứng di truyền xuyên thế hệ được cảm ứng gây ra ra bởi sự thiếu hụt Nitơ (N) đối với lúa ở các khía cạnh khác nhau về mặt hình thái, sinh lý, sự biểu hiện của gen vận chuyển N và cơ chế ngoại di truyền tập trung vào sự methyl hóa ADN. Chúng tôi phát triển hai chiến lược nghiên cứu: (i) trong thế hệ: ảnh hưởng của sự thiếu hụt N đến hình thái, sinh lý cũng như các cơ chế phân tử đã được nghiên cứu trên nhiều loại cây trồng khác nhau. Tuy nhiên, các nghiên cứu về tác động có thể có của việc thiếu hụt N ở giai đoạn cây con đến sự sinh trưởng cũng như sự biểu hiện của các gen liên quan đến vận chuyển N trong giai đoạn tiếp theo trên cây lúa còn rất hạn chế. Dựa trên điều này, câu hỏi nghiên cứu được đặt ra đó là điều gì sẽ xảy ra khi sự thiếu hụt N xảy ra trong toàn bộ quá trình sinh trưởng, phát triển của cây và sự bù đắp dinh dưỡng xảy ra ở thế hệ tiếp theo? Do vậy, chúng tôi phát triển ý tưởng tiếp theo đó là nghiên cứu phản ứng giữa các thế hệ; (ii) giữa các thế hệ: khả năng thiết lập “sự ghi nhớ do thiếu hụt N xuyên thế hệ” (transgenerational N stress memory) sẽ được phân tích khi lúa được xử lý với mức N khác nhau trong nhiều thế hệ liên tiếp. Khi tính trạng thích ứng với điều kiện N thấp được “tích lũy” một cách tự nhiên (natural epimutation), nó sẽ trở thành tính trạng rất hữu ích trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp.

Được sự tài trợ kinh phí của Dự án Việt Bỉ năm 2021, nhóm nghiên cứu tại khoa Công nghệ sinh học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã thực hiện đề tài “Phân tích hiệu ứng di truyền xuyên thế hệ trên lúa được xử lý với các mức Nitơ khác nhau trong ba thế hệ liên tiếp”. Nghiên cứu tiến hành phân tích phản ứng của các cây con thu nhận từ cây lúa được xử lý với mức N khác nhau trong 3 thế hệ kế tiếp nhau. Về mặt hình thái, những thay đổi trong kiểu hình sẽ được phân tích. Tiếp theo, chúng tôi tập trung phân tích các phản ứng sinh lý (hàm lượng N, hoạt động hấp thu và vận chuyển N trong rễ và lá); biểu hiện gen (biểu hiện của gen vận chuyển N) và cơ chế ngoại di truyền tập trung vào sự methyl hóa DNA trên vùng promoter của các gen vận chuyển N. Kết quả nghiên cứu chỉ ra các thế hệ cây con có nguồn gốc từ lúa được xử lý với điều kiện thiếu hụt N trong ba thế hệ kế tiếp nhau thể hiện khả năng hấp thụ và vận chuyển N tốt hơn trên cả hai điều kiện dinh dưỡng đầy đủ và thiếu hụt N. Kết quả về phân tích mối tương quan giữa sự biểu hiện của gen vận chuyển N và sự methyl hóa ADN trên vùng promoter của chúng cho thấy có mối tương quan giữa sự methyl hóa ADN và sự thay đổi phiên mã của các gen AMTs (các gen liên quan đến vận chuyển ammonium). Dựa trên kết quả nghiên cứu chúng tôi nhận thấy thông qua sự methyl hóa ADN trong điều hòa biểu hiện gen vận chuyển N đã thiết lập cơ chế thích ứng với điều kiện N thấp tồn tại ở lúa.

leftcenterrightdel
 Thiết kế thí nghiệm lúa xử lý với các mức Nitơ khác nhau trong ba thế hệ kế tiếp được trồng trong điều kiện dinh dưỡng đầy đủ (M) và thiếu hụt Nitơ (L) 
leftcenterrightdel
Sự thay đổi hình thái rễ bộ rễ lúa để trong giai đoạn cây con để thích ứng với điều kiện dinh dưỡng thiếu hụt

 

TS. Nông Thị Huệ và cộng sự - Khoa Công nghệ sinh học

                       Ban Khoa học và Công nghệ