Các nhà khoa học Trung Quốc lần đầu tiên xây dựng bản đồ tế bào ba chiều theo không gian và thời gian, bao phủ toàn bộ vòng đời cây lúa từ khi hạt nảy mầm đến trổ hoa và hình thành hạt, tạo thêm công cụ cho nghiên cứu gene và phát triển giống mới…

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí quốc tế Cell, được kỳ vọng mở ra một nguồn dữ liệu mới giúp giới khoa học hiểu sâu hơn về quá trình sinh trưởng, phát triển của cây lúa, đồng thời hỗ trợ các phương pháp lai tạo nhằm nâng cao và ổn định năng suất.

Công trình do Phòng thí nghiệm Quốc gia Vịnh Yazhou tại thành phố Tam Á, tỉnh Hải Nam, Trung Quốc, phối hợp với nhiều tổ chức nghiên cứu thực hiện. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp giải trình tự bộ gene, giải trình tự tế bào đơn và công nghệ phiên mã không gian để tái dựng quá trình phát triển của cây lúa ở cấp độ tế bào.

GIẢI MÃ VÒNG ĐỜI CỦA CÂY LÚA Ở CẤP ĐỘ TẾ BÀO

Nghiên cứu có tiêu đề “Bản đồ không gian - thời gian toàn vòng đời giải mã sự phối hợp không gian ở cây lúa” (A spatiotemporal lifecycle atlas decodes spatial coordination in rice).

Theo nhóm nghiên cứu, bằng cách tích hợp nhiều phương thức phân tích, các nhà khoa học đã tái cấu trúc một đồ thị quỹ đạo phát triển, kết nối các trạng thái tế bào từ giai đoạn phôi sơ khai đến khi các cơ quan của cây trưởng thành.

Công trình đồng thời xác định những yếu tố điều hòa có liên quan đến các quỹ đạo phát triển này.

Điểm đáng chú ý là bản đồ cho phép xác định vị trí chính xác nơi các gene chức năng cụ thể được biểu hiện trong những mô khác nhau và ở những giai đoạn phát triển khác nhau của cây lúa.

Nhờ đó, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi sự thay đổi của hoạt động gene trong quá trình cây phát triển, từ giai đoạn hạt nảy mầm, hình thành các cơ quan đến trổ hoa và tạo hạt.

Theo truyền thông Trung Quốc, bản đồ này giúp làm rõ hơn mối quan hệ giữa hoạt động của gene và quá trình hình thành các đặc tính của cây lúa, qua đó cung cấp thêm dữ liệu để nghiên cứu cách một hạt giống phát triển thành một cây trưởng thành có khả năng tạo hạt.

HƯỚNG TỚI “LAI TẠO CHÍNH XÁC”

Trong quá trình cải thiện giống lúa, việc điều chỉnh một đặc tính cụ thể có thể gây ra những tác động ngoài ý muốn đối với các đặc tính khác do sự liên kết phức tạp giữa các gene.

Chẳng hạn, khi các nhà nghiên cứu muốn tác động vào một gene nhằm cải thiện một đặc tính nhất định, những thay đổi liên quan có thể đồng thời ảnh hưởng đến các đặc tính khác của cây.

Với bản đồ tế bào mới, các nhà khoa học có thể xác định rõ hơn gene nào được biểu hiện ở đâu, vào thời điểm nào và trong mô nào. Điều này cho phép việc điều chỉnh gene được thực hiện có mục tiêu hơn.

Theo các nhà nghiên cứu, cách tiếp cận này có thể giúp giảm đáng kể những tác động ngoài ý muốn, đồng thời tạo điều kiện xây dựng các chiến lược điều hòa chính xác hơn - về cơ bản là “nhắm trúng mục tiêu” cần tác động.

Nhóm nghiên cứu còn xây dựng một cơ sở dữ liệu mở và mô hình nền tảng tế bào đơn của cây lúa, cho phép các nhà khoa học trên toàn thế giới tiếp cận.

Các công cụ này hỗ trợ truy vấn gene, trực quan hóa biểu hiện gene theo không gian và phân tích so sánh. Các nhà nghiên cứu có thể theo dõi hoạt động của những gene quan tâm trong các mô và giai đoạn phát triển khác nhau, từ đó định hướng các thí nghiệm tiếp theo để kiểm chứng kết quả.

CÔNG NGHỆ GIỐNG VÀ BÀI TOÁN AN NINH LƯƠNG THỰC

Công trình được thực hiện tại Vịnh Yazhou, nơi đang trở thành một trung tâm nghiên cứu và phát triển giống quan trọng của Trung Quốc.

Theo Tân Hoa Xã, Phòng thí nghiệm Quốc gia Vịnh Yazhou là động lực khoa học - công nghệ chủ lực của “Thung lũng Silicon Nanfan” tại Tam Á, một nền tảng hợp tác quốc tế về ngành giống và khu vực thí điểm thúc đẩy cải cách, mở cửa trong lĩnh vực giống cây trồng.

Nhiều viện nghiên cứu hàng đầu và doanh nghiệp giống lớn đã xây dựng cơ sở tại Nanfan, thúc đẩy phát triển các công nghệ lai tạo tiên tiến và đẩy nhanh quá trình phát triển giống mới.

“Nanfan” gắn với phương thức tận dụng khí hậu ấm áp ở miền Nam Trung Quốc để trồng nhiều thế hệ giống trong một năm, qua đó rút ngắn chu kỳ lai tạo.

Ông Li Guoxiang, nhà nghiên cứu tại Viện Phát triển Nông thôn thuộc Viện Khoa học Xã hội Trung Quốc, cho rằng ngành giống là một nguồn lực ở cấp quốc gia.

Nếu không có một ngành giống độc lập, sẽ rất khó nâng cao hiệu quả sản xuất lương thực và bảo đảm an ninh lương thực.

Ông Li Guoxiang  Nhà nghiên cứu tại Viện Phát triển Nông thôn thuộc Viện Khoa học Xã hội Trung Quốc

Theo cơ quan nông nghiệp tỉnh Hải Nam, năm nay, diện tích gieo trồng lúa sớm của tỉnh đạt 1,716 triệu mẫu Trung Quốc, tương đương khoảng 114.400 ha. Năng suất bình quân đạt 404,97 kg/mẫu, trong khi tổng sản lượng đạt 695.000 tấn.

Như vậy, diện tích gieo trồng, năng suất trên đơn vị diện tích và tổng sản lượng lúa sớm của Hải Nam đều tăng. Trong kết quả này, Tam Á đóng vai trò hỗ trợ quan trọng nhờ phát huy thế mạnh của Nanfan trong phát triển ngành giống.

Việc xây dựng bản đồ tế bào 3D bao phủ toàn bộ vòng đời cây lúa vì thế được xem là bước tiến mới trong việc kết hợp dữ liệu sinh học với công nghệ lai tạo. Không chỉ giúp hiểu rõ hơn cách cây lúa phát triển từ một hạt giống thành cây trưởng thành mang hạt, công cụ này còn tạo thêm cơ sở khoa học cho việc phát triển các giống lúa năng suất cao, ổn định và phù hợp với yêu cầu bảo đảm an ninh lương thực.