Penium margaritaceum. Ảnh: Đại học Cornell.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Cornell đã giải trình tự và phân tích bộ gen của loài tảo đơn bào thuộc dòng gần nhất với thực vật trên cạn và cung cấp nhiều manh mối về cách thức thực vật thủy sinh lần đầu tiên xâm chiếm lãnh thổ trên cạn.

Báo cáo "Bộ gen Penium margaritaceum: Dấu ấn về nguồn gốc của thực vật trên cạn", được công bố ngày 21 tháng 5 trên tạp chí Cell.

Penium margaritaceum nằm trong nhóm tảo nước ngọt được gọi là charophytes, phân nhóm Zygnematophyceae, có tổ tiên chung với các loài thực vật trên cạn đầu tiên cách đây khoảng 600 triệu năm. Để chuyển từ môi trường nước lên cạn, một quá trình chuyển đổi vẫn còn gây khó khăn cho các nhà khoa học, thực vật phải tự bảo vệ mình không bị khô, tránh tia cực tím và chúng phải phát triển các cấu trúc để tự chống đỡ mà không cần sự trợ lực của nước.

Các nhà nghiên cứu đã tìm thấy dấu tích của tất cả sự thích nghi này trong bộ gen Penium, đưa ra hiểu biết về các cơ chế và di truyền mà thực vật trên cạn ban đầu cần có.

Jocelyn Rose, giáo sư Sinh học thực vật tại Đại học Nông nghiệp và Khoa học Đời sống cho biết: Chúng tôi gần như không biết gì về bộ gen tổ tiên trực tiếp của thực vật trên cạn.

Theo Rose, "Hiện nay chúng ta có những hiểu biết thú vị về tổ tiên chung cuối cùng của tảo và thực vật trên cạn và điều đó cho phép các nhà sinh học thực vật suy ra nguồn gốc các con đường phân tử thực vật trên cạn, hệ thống phát triển và quá trình sinh học và đặt chúng vào bối cảnh phụ thuộc môi trường trên cạn theo những cách mà trước đây không thể có được".

Mặc dù một số loài tảo thuộc nhóm charophyte được phân nhánh và trông giống như thực vật trên cạn, từ dữ liệu phân tử cho thấy tổ tiên chung có hình dạng đơn giản như sợi dây tóc.

Rose nhận xét: "Chúng tôi rất quan tâm đến lý do tại sao sinh vật với cơ thể tối giản có thể có lợi về mặt tiến hóa. Loài Penium sống ở rìa vùng nước ngọt và đất liền, trong môi trường sống tiếp xúc với giai đoạn khô hạn, phải bù nước và đây có thể là một nhân tố chính".

Bộ gen của Penium chứa rất nhiều DNA lặp đi lặp lại và DNA "rác" (không mã hóa), tạo ra những thách thức cho các nhà nghiên cứu. Cuối cùng họ đã trích xuất một bộ DNA sạch từ các hạt nhân tinh khiết và tích hợp nhiều loại kỹ thuật giải trình tự DNA cùng với các chương trình lắp ráp để bao quát toàn bộ bộ gen. Chúng cũng tiến hành giải trình tự phiên mã tiên tiến (RNA) để bổ sung cho trình tự bộ gen và hiểu gen nào được bật và tắt dưới điều kiện stresss khác nhau.

"Chúng tôi phát hiện ra rằng bộ gen là rất lớn", theo đánh giá của Zhangjun Fei, giáo sư tin sinh học tại Viện Boyce Thompson (Fei là đồng tác giả của nghiên cứu, xử lý công việc tính toán và giải trình tự) và một phó giáo sư phụ trách trong Khoa Sinh học Bệnh học và Vi khuẩn Thực vật cho biết.

Bộ gen của loài tảo đơn bào nhỏ bé này thậm chí còn lớn hơn bộ gen ngô khổng lồ từng được biết đến và bộ gen người.

Fei cho biết: "Một kết quả lớn là chúng tôi đã tìm thấy flavonoid, hóa chất có thể bảo vệ khỏi bức xạ tia cực tím". Trong khi đó, Rose nhận xét thêm: "Trước đây người ta cho rằng những hợp chất này chỉ tồn tại trong thực vật trên cạn. Chúng tôi đã phát hiện không chỉ các flavonoid, mà còn là một phần của con đường cho quá trình sinh tổng hợp chúng".

Các nhà nghiên cứu cũng xác định các gen liên quan đến hệ thống điều tiết và phát tín hiệu hormone mà trước đây chỉ được tìm thấy trong thực vật trên cạn, cũng như các cơ chế giữ cho cây không bị khô, bao gồm cả việc sản xuất chất nhầy.

Một số lượng lớn gen đóng góp vào quá trình sinh tổng hợp và tái tổ chức thành tế bào cũng được tìm thấy rất cần thiết cho sự hỗ trợ về xây dựng cấu trúc.

Rose khẳng định: "Một lần nữa, nó là một tế bào đơn lẻ, nhưng nó có các họ protein biến đổi thành tế bào khổng lồ. Điều này cho thấy sự kiểm soát rất phức tạp đối với cấu trúc tường, động lực học và các đặc tính cơ học có thể được xây dựng từng chút một như trong sinh vật đa bào".

Các nhà nghiên cứu tin rằng bộ gen Penium sẽ mở ra các cuộc điều tra về nhiều lĩnh vực sinh học thực vật, bao gồm các ứng dụng khả thi cho cây trồng hiện đại. Nhóm nghiên cứu có kế hoạch điều tra bộ gen của các loài sinh vật khác trong nhóm charophytes.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org