Những gì xảy ra dưới mặt đất trong ruộng ngô rất dễ bị bỏ qua, nhưng cấu trúc của rễ ngô có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc hấp thu nước và chất dinh dưỡng, ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn và hiệu quả sử dụng nước. Nếu các nhà chọn tạo giống có thể điều khiển rễ ngô mọc sâu, cây trồng có thể tiếp cận các nguồn dinh dưỡng quan trọng trong tầng đất sâu hơn. 

Bước đầu tiên hướng tới mục tiêu đó là tìm hiểu các gen liên quan đến thuyết hấp dẫn, sự phát triển của rễ để phản ứng với lực hút. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, các nhà khoa học của Đại học Wisconsin, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois, xác định bốn gen như vậy trong cây ngô và cây mô hình Arabidopsis. 

Khi hạt nảy mầm bị lật nghiêng, một số rễ chuyển hướng đột ngột, hướng về phía lực hút, trong khi phần nhỏ những rễ khác quay chậm hơn một chút. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp thị giác máy để quan sát sự khác biệt tinh tế về lực hút của rễ ở hàng nghìn cây con và kết hợp dữ liệu đó với thông tin di truyền của mỗi cây con. Kết quả đã lập bản đồ các vị trí có thể có của các gen hướng trọng lực trong bộ gen. 

Bản đồ đã cho các nhà nghiên cứu thấy đúng vùng lân cận trong bộ gen các vùng của vài trăm gen nhưng vẫn còn một chặng đường dài để xác định các gen cụ thể cho thuyết hấp dẫn. May mắn thay họ đã có một công cụ có thể hỗ trợ.

“Vì trước đây chúng tôi đã thực hiện cùng một thí nghiệm với cây Arabidopsis có họ hàng xa nên chúng tôi có thể khớp các gen trong các vùng liên quan của bộ gen ở cả hai loài. Các cuộc kiểm tra tiếp theo đã xác định 4 gen thay đổi thuyết hấp dẫn trọng lực của rễ cây. Thông tin mới có thể giúp chúng tôi hiểu về trọng lực định hình cấu trúc hệ thống rễ”, Edgar Spalding, giáo sư Khoa Thực vật học tại Đại học Wisconsin và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết.

Matt Hudson, giáo sư tại bộ môn Khoa học Cây trồng tại Đại học Illinois và là đồng tác giả nghiên cứu, cho biết thêm: “Chúng tôi đã xem xét một đặc điểm tính trạng quan trọng của cây ngô chưa được nghiên cứu vì một số lý do, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Và kết quả khả quan của chúng tôi đã  chứng minh cho sự khác biệt về mặt tiến hóa giữa các loài thực vật”. 

Ngô và Arabidopsis, một họ hàng nhỏ của mù tạt được các nhà sinh học thực vật mô tả một cách đầy đủ, sự tiến hóa cách nhau khoảng 150 triệu năm trong lịch sử tiến hóa. Hudson giải thích rằng mặc dù cả hai loài đều chỉ ra các chức năng cơ bản của thực vật, nhưng các gen kiểm soát chúng có thể đã bị xáo trộn trong bộ gen theo thời gian. Điều đó lại là một điều tốt cho việc thu hẹp các gen phổ biến. 

Ở những loài có quan hệ họ hàng gần, các gen có xu hướng sắp xếp theo thứ tự gần giống nhau trong bộ gen (ví dụ: ABCDEF). Mặc dù các gen giống nhau có thể tồn tại ở các loài có quan hệ họ hàng xa, nhưng thứ tự của các gen trong vùng mà tính trạng lập bản đồ không khớp (ví dụ: UGRBZ). Sau khi các nhà nghiên cứu xác định vị trí cần tìm trong mỗi bộ gen, các trình tự gen không khớp khác nhau đã làm cho các gen phổ biến (trong trường hợp này là B) bật ra. 

Hudson nói: “Tôi nghĩ thật tuyệt khi chúng ta có thể xác định được các gen mà chúng ta đã không thể tìm thấy chỉ bằng cách so sánh khoảng thời gian bộ gen ở các loài thực vật không liên quan. Chúng tôi khá tự tin rằng chúng là gen phù hợp khi chúng xuất hiện ngay từ phân tích này, nhưng nhóm của Spalding sau đó đã dành bảy hoặc tám năm nữa để thu thập dữ liệu sinh học vững chắc để xác minh rằng chúng thực sự đóng một vai trò trong thuyết hấp dẫn. Sau đó, Tôi nghĩ rằng chúng tôi đã xác thực toàn bộ cách tiếp cận để trong tương lai, bạn có thể sử dụng phương pháp này cho nhiều kiểu hình khác nhau”. 

Spalding lưu ý rằng phương pháp này có lẽ đặc biệt thành công vì các phép đo chính xác được thực hiện trong một môi trường chung. 

Ông nói: “Thông thường, các nhà nghiên cứu về cây ngô sẽ đo lường các đặc điểm tính trạng quan tâm của họ trong một lĩnh vực, trong khi các nhà nghiên cứu Arabidopsis có xu hướng nuôi cây của họ trong các buồng sinh trưởng. Chúng tôi đã đo kiểu hình trọng lực rễ theo cách có kiểm soát cao. Những hạt giống này được trồng trên đĩa petri và cuộc thử nghiệm kéo dài chỉ vài giờ, trái ngược với những đặc điểm tính trạng bạn có thể đo trong không gian thực cho biết tất cả sự sắp xếp của các biến đổi”. 

Ngay cả khi các đặc điểm có thể được đo lường trong cùng một môi trường, không phải tất cả các tính trạng đều là ứng cử viên tốt trong phương pháp này. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh các tính trạng được đề cập phải là nền tảng cho chức năng cơ bản của thực vật, đảm bảo các gen cổ xưa giống nhau tồn tại ở các loài không liên quan.

Spalding nói: “Thuyết hấp dẫn có thể đặc biệt thích hợp để nghiên cứu thông qua phương pháp này vì nó sẽ là chìa khóa cho sự chuyên môn hóa ban đầu của chồi và rễ sau khi di thực hóa thành công trên vùng đất. 

Hudson cũng lưu ý rằng thuyết hấp dẫn cũng sẽ là chìa khóa nghiên cứu trên cây trồng khác nhau. 

Ông nói: “NASA quan tâm đến việc trồng trọt trên các hành tinh khác hoặc trong không gian và họ cần biết bạn phải tạo ra giống gì trong điều kiện như vậy. Thực vật khá rời rạc nếu không có trọng lực hút”. 

Theo Đại học Illinois