Xác định gen tiềm năng chống chịu mặn trên cây lúa bằng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới
TS. Nguyễn Đức Quân trao đổi với cộng sự tại phòng thí nghiệm
Đất nhiễm mặn là một vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng tới hơn 1,6 triệu ha đất trồng trọt ở các vùng đồng bằng sông Cửu Long và vùng duyên hải miền Trung ở Việt Nam, với độ mặn từ 0,4 đến 1,0% và không ngừng tăng lên. Với tiềm năng kiểm soát mức độ biểu hiện gen trong cây ở giai đoạn sau phiên mã và những tiến bộ trong công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới (NGS), miRNA mở ra một con đường tiềm năng nghiên cứu tìm hiểu vai trò của các miRNA trong cơ chế chống chịu mặn làm cơ sở cho việc nghiên cứu nâng cao khả năng chịu mặn trên cây lúa ở Việt Nam.
Giải trình tự miRNA là một ứng dụng giải trình tự mới, có độ nhạy cao và yêu cầu lượng mẫu ít. Ứng dụng này cho phép định lượng chính xác số lượng bản phiên mã để lập sơ đồ mức độ biểu hiện của toàn bộ miRNA, phát hiện các miRNA mới có khả năng kiểm soát mức độ biểu hiện của các gen sinh tổng hợp các protein có lợi cũng như đánh giá mối tương quan giữa mức độ biểu hiện các miRNA và các gen liên quan để tìm ra các miRNA có tiềm năng tăng sức chống chịu của cây trồng. Những ưu điểm trên cho thấy rằng công nghệ giải trình tự miRNA là công cụ quan trọng trong nghiên cứu hệ gen phiên mã trong cây trồng.
Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học sử dụng công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới để đưa ra đánh giá toàn diện về mức độ biểu hiện của miRNA trong cây lúa chuẩn kháng mặn Đốc Phụng (ĐP) và cây lúa chuẩn nhiễm mặn IR28 dưới tác động của muối. Mẫu thân và rễ của cây lúa chuẩn kháng mặn và chuẩn nhiễm mặn trồng trong điệu kiện bình thường và nhiễm mặn 150 mM NaCl được sử dụng làm nguồn vật liệu để lập thư viện miRNA và giải trình tự toàn bộ miRNA bằng nền tảng Illumina NexSeq. Kết quả giải trình tự miRNA giúp xác định được một nhóm các miRNA có tiềm năng và các gen đích kiểm soát tình trạng chịu mặn từ giống lúa bản địa của Việt Nam qua đó cung cấp nguồn thông tin di truyền hữu ích phục vụ cho các nghiên cứu phát triển giống lúa mới có khả năng chống chịu mặn cao, phù hợp với môi trường và điều kiện nuôi trồng ở Việt Nam.
Hình ảnh cây lúa chuẩn kháng mặn Đốc Phụng (ĐP) và cây lúa chuẩn nhiễm mặn IR28 trong nghiên cứu
Trong khuôn khổ của đề tài, các nhà khoa học đã đánh giá khả năng chịu mặn của hai giống lúa ở giai đoạn mạ trong điều kiện nhiễm mặn 150 mM NaCl trong 05 ngày liên tiếp. Kết quả đánh giá các đặc điểm sinh lý và sinh hóa xác định rằng giống lúa Đốc Phụng sử dụng trong nghiên cứu là giống chuẩn kháng và giống IR28 là giống chuẩn nhiễm. Tiếp đó, nhóm nghiên cứu tiến hành giải trình tự miRNA từ thân và rễ của hai giống lúa. Kết quả thu được 08 bộ dữ liệu (bao gồm ĐP-ĐC-T, ĐP-ĐC-R, ĐP-NaCl-T, ĐP-NaCl-R, IR28-ĐC-T, IR28-ĐC-R, IR28-NaCl-T và IR28-NaCl-R) có chất lượng tốt. Chỉ số chất lượng giải trình tự toàn bộ miRNA: Q20 > 90% và Q30 > 80%.
Qua quá trình sàng lọc và phân tích tin sinh, TS. Nguyễn Đức Quân và cộng sự đã xác định 04 miRNA tiềm năng tham gia vào quá trình chịu mặn trên cây lúa Đốc Phụng (bao gồm miR164d, miR168a, miR171h và miR398a). Đây là những miRNA tiềm năng tham gia vào quá trình thích ứng mặn trên cây lúa, thông qua việc can thiệp vào quá trình kiểm soát biểu hiện các gen đích là SPL (Squamosa Promoter-binding protein-Like) tham gia điều hóa quá trình sinh tổng hợp anthocyanin có tác dụng chất chống lại các gốc oxy hóa tự do, yếu tố phiên mã NAC21/22, protein kiểm soát biểu hiện gen và tăng trưởng AGO1, và SCL6-II tham gia kiểm soát quá trình phát triển của hệ rễ trong cây lúa Đốc Phụng bị nhiễm mặn.
Các nhà khoa học đã đánh giá độ chính xác của 08 bộ dữ liệu giải trình tự miRNA bằng phương pháp RT-qPCR. Phân tích kết quả RT-qPCR của 04 miRNA (miR164d, miR169i, miR172d và miR398a) cho thấy biểu hiện của chúng có độ tương đồng cao với kết quả giải trình tự miRNA trên 02 giống lúa Đốc Phụng và IR28 trong điều kiện nhiễm mặn. Kết quả RT-qPCR cũng cho thấy những miRNA có tiềm năng kiểm soát biểu hiện các gen đích của chúng là NAC21/22, NTYF, AP2/ERF và CSD2. Điều đó chứng minh rằng bộ dữ liệu giải trình tự miRNA thu được là chuẩn xác và có độ tin cậy cao.
Qua nghiên cứu, nhóm đã làm sáng tỏ hơn cơ chế chống chịu mặn của cây lúa nói chung và trên giống lúa chuẩn kháng Đốc Phụng ở cấp độ phân tử nói riêng. Bên cạnh đó, các bộ dữ liệu miRNA cung cấp một công cụ tiềm năng hỗ trợ rút ngắn thời gian nghiên cứu và phát triển các giống lúa chịu mặn mới có khả năng chống chịu mặn cao. Kết quả nghiên cứu được đăng trong 02 bài báo thuộc danh mục SCIE, 01 bài báo trong nước và được Hội đồng nghiệm thu cấp RÚT TIỀN 188BET xếp loại B.
Với những thành công trên, các nhà khoa học mong muốn tiếp tục nghiên cứu, đánh giá chuyên sâu về mức độ biểu hiện và chức năng các miRNA trong việc nâng cao khả năng chịu mặn trên cây lúa bằng các phương pháp in vitro để hoàn thiện kết quả và sớm thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các giống lúa chịu mặn mới.
Tổng hợp: Chu Thị Ngân - Trung tâm Thông tin - Tư liệu
Xử lý tin: Thanh Hà