Bản đồ tế bào lúa có thể thay đổi cách nhân giống cây trồng
Trong một tổ hợp phòng thí nghiệm gần Tam Á, trên đảo Hải Nam ở miền nam Trung Quốc, các nhà nghiên cứu đã lắp ghép được thứ mà các nhà sinh học thực vật đã mong mỏi hàng thập kỷ: một bản đồ ba chiều hoàn chỉnh về cách cây lúa tự xây dựng chính mình. Công trình được công bố ngày 7 tháng 10 tại một hội nghị ở Tam Á và được đặt biệt danh là bản đồ sự sống đầu tiên của Thung lũng Silicon Nam Phồn, ám chỉ trung tâm nhân giống hạt nhiệt đới nơi phần lớn nghiên cứu cây trồng của Trung Quốc tập trung.
Dự án là sự hợp tác giữa Phòng thí nghiệm Vịnh Á Châu, Phòng thí nghiệm Công nghiệp Hạt giống Hải Nam, BGI Research và chín tổ chức khác, tổng cộng mười hai tổ chức. Cùng nhau, họ theo dõi cây lúa từ lúc hạt nảy mầm qua giai đoạn ra hoa và cuối cùng đến cây nặng trĩu hạt, ghi lại gen nào bật lên trong tế bào nào và những tế bào đó nằm ở đâu trong cây đang phát triển. Kết quả là thứ mà các nhà khoa học gọi là bản đồ tế bào không-thời gian: một hình ảnh ba chiều về hoạt động của gen trong cả không gian lẫn thời gian.
Điều khiến bản đồ này khác thường là quy mô của nó. Các nghiên cứu trước đây thường chỉ xem xét một mô, một cơ quan hoặc một thời điểm. Bản đồ này thay vào đó kết nối thông tin bộ gen, các giai đoạn phát triển tế bào và biểu hiện gen theo không gian thành một tham chiếu duy nhất bao trùm toàn bộ vòng đời. Đối với một loại cây quan trọng về kinh tế như lúa, vốn nuôi sống khoảng một nửa dân số thế giới, tầm bao quát đó rất quan trọng.
Hiểu được gen hoạt động ở đâu và khi nào là trọng tâm của nhân giống cây trồng. Một gen cải thiện khả năng chịu hạn có thể chỉ hữu ích nếu nó hoạt động trong đúng tế bào rễ vào đúng giai đoạn sinh trưởng. Bằng cách chỉ ra các vùng lân cận tế bào chính xác nơi mỗi gen hoạt động, bản đồ mang đến cho các nhà chọn giống một cuốn sổ tay hướng dẫn chi tiết thay vì một bản phác thảo sơ lược. Các nhà nghiên cứu mô tả mục tiêu là hiểu sự phát triển của cây ở cấp độ cá thể sinh vật, chứ không chỉ các tế bào cô lập trong đĩa nuôi.
Cộng đồng nghiên cứu đã từng đón nhận các bản đồ tham chiếu chung. Các bản đồ tương tự cho người và chuột đã trở thành công cụ tiêu chuẩn, cho phép các phòng thí nghiệm so sánh thí nghiệm của riêng họ với một đường cơ sở chung. Một bản tương đương cho lúa có thể làm điều tương tự cho khoa học cây trồng, cho phép các nhóm ở nhiều quốc gia khác nhau neo kết quả của họ vào một bản đồ được thống nhất thay vì xây dựng lại bức tranh từng mảnh một.
Vai trò của Hải Nam trong dự án không phải ngẫu nhiên. Mùa đông ấm áp của tỉnh này cho phép các nhà chọn giống trồng thêm nhiều thế hệ cây trồng mỗi năm, nén thời gian thường mất cả thập kỷ xuống còn vài mùa vụ. Truyền thống đó, được gọi là Nam Phồn, từ lâu đã biến vùng này thành ngã tư của khoa học nông nghiệp. Bản đồ mới bổ sung một lớp hiện đại, giàu dữ liệu cho một thực hành vốn dựa vào quan sát kiên nhẫn và lai tạo.
Lợi ích thực tiễn có thể đến với nông dân vượt xa Trung Quốc. Lúa đang đối mặt với áp lực ngày càng tăng từ các đợt nắng nóng, mưa thất thường và đất mặn, và các nhà chọn giống đang chạy đua để phát triển các giống chịu đựng được. Một bản đồ chi tiết về cách cây lúa khỏe mạnh phát triển cho họ cách nhận ra những đòn bẩy di truyền đáng để tác động. Cách tiếp cận tương tự sau này có thể mở rộng sang ngô, đậu nành và khoai tây, những cây trồng xuất hiện cùng lúa trong các chương trình nghiên cứu của khu vực.
Các phát hiện được công bố tại một hội nghị về omics không-thời gian, lĩnh vực nghiên cứu nơi các phân tử hoạt động bên trong mô sống. Đối với độc giả toàn cầu chưa quen với thuật ngữ này, so sánh đơn giản nhất là một bản đồ thành phố cũng cho thấy điều gì xảy ra bên trong mỗi tòa nhà vào mỗi giờ. Lúa giờ đây đã có một bản đồ như vậy, và các nhà khoa học đứng sau nó nói bước tiếp theo là làm cho nó hữu ích trên đồng ruộng, chứ không chỉ trong các tạp chí.