Các nhà nghiên cứu phát hiện ra sự lặp lại codon quan trọng điều khiển khả nặng chịu lạnh ở cây lúa

 Các nhà nghiên cứu phát hiện ra sự lặp lại codon quan trọng điều khiển khả nặng chịu lạnh ở cây lúa

Sơ đồ biểu diễn mô hình nhiễm sắc thể COLD11 được thuần hoá chọn lọc để sửa chữa đứt gãy chuỗi kép DNA qua xử lý lạnh trên cây lúa. Nguồn: Nhóm GS. Chong Kang.   Một nghiên cứu gần đây của nhóm giáo sư Chong Kang từ Viện Thực vật học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã tiết lộ một cơ chế sửa chữa được thuần hóa trong điều kiện lạnh đối với tổn thương của DNA ở cây lúa, cung cấp các mô hình ưu tú tương ứng để cải thiện tính trạng chịu rét ở cây lúa với bộ ba mã hoá được lặp lại tại điểm duy nhất.   Kết quả đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Science Advances.   Biến đổi khí hậu toàn cầu đã dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ rõ rệt trong môi trường và các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt trong những năm gần đây. Vì vậy điều cấp bách là cây trồng có khả năng chịu đựng nhiệt độ khắc nghiệt để đảm bảo năng suất ổn định. Mặc dù thực vật đã phát triển các cơ chế bảo vệ phức tạp để thích nghi với điều kiện giá rét, nhưng tổn thương DNA xảy ra làm giảm khả năng phòng vệ của thực vật, hơn nữa, cơ chế điều khiển vẫn chưa rõ ràng.   Trong nghiên cứu này, nhóm của giáo sư Chong hợp tác với nhóm của giáo sư Li Qizhai từ Học viện Toán học và Khoa học Hệ thống của CAS và nhóm của giáo sư Cheng Zhukuan từ Viện Di truyền và Sinh học Phát triển của CAS đã sử dụng một phương pháp kết hợp di truyền học quần thể, hệ gen học và sinh học tế bào tiến hóa để khám phá mô hình mới về khả năng chịu lạnh.   Các nhà nghiên cứu đã thực hiện các nghiên cứu liên kết trên toàn bộ bộ gen hợp nhất dữ liệu (DM-GWAS) dựa trên quy mô đa chiều. Một loạt các locus đã được GWAS xác định bằng cách sử dụng dữ liệu kiểu hình hợp nhất. Một trong số đó là qCTS11-1 trên nhiễm sắc thể 11 góp phần vào khả năng chịu lạnh của cây lúa. Gen chính của nó, COLD11 đã được xác định bằng bản đồ. Theo các nhà nghiên cứu, đột biến mất chức năng của COLD11 làm giảm khả năng chịu lạnh.   Các loại bộ ba mã hoá GCG khác nhau lặp lại mã hóa alanine trong exon đầu tiên của COLD11 đã được quan sát cho thấy đối với các giống indica nhạy cảm với lạnh và các giống japonica chịu lạnh. Số lần lặp lại của codon GCG có mối tương quan thuận với khả năng chịu lạnh. Ngoài ra, phân tích tiến hóa bộ gen của các tế bào mầm lúa đại diện cho thấy nhiều lần lặp lại trình tự GCG đã được chọn lọc thuần hóa trong quá trình trồng lúa ở phía bắc.   Hơn nữa, COLD11 mã hóa protein sửa chữa DNA đóng vai trò thiết yếu trong việc sửa chữa đứt gãy chuỗi kép DNA. Các số lặp lại của GCG trong exon đầu tiên của nó cho thấy mối tương quan tích cực với hoạt động sinh hóa của nó. Đây là báo cáo đầu tiên về cơ chế sửa chữa tổn thương DNA được chọn lọc thuần hóa và các mô hình ưu tú tương ứng của nó liên quan đến căng thẳng lạnh.   Sử dụng DM-GWAS (data-merging genome-wide association studies) trên hai phân loài lúa japonica và indica có sự khác biệt đáng kể về khả năng chịu lạnh, nghiên cứu này cho thấy COLD11 là gen định vị tính trạng định lượng chính cho khả năng chịu lạnh.   Việc phát hiện ra bộ ba mã hoá (codon) lặp lại quan trọng trong exon đầu tiên của COLD11 được xác nhận bằng phân tích phân bố của loài và phân bố địa lý mở đường cho việc điều khiển khả năng chịu lạnh của lúa tại vị trí duy nhất. Nó là một mô hình phân tử có tiềm năng hữu ích để cải thiện tính trạng chịu lạnh ở cây lúa thông qua thiết kế phân tử.