Bộ công cụ di truyền cổ xưa tạo nên sự đa dạng tế bào được phát hiện là tổ tiên chung của toàn bộ thực vật trên cạn

Từ hệ thống chống tia mặt trời cổ điển đến những cánh hoa hiện đại: Cùng một bộ máy di truyền đang hoạt động. Bên trái: Các cốc truyền sinh (gemmae cups) và thể truyền sinh (gemmae) trên cây địa tiền (rêu gan) Marchantia polymorpha. Ảnh: Ed Reschke (Getty Images). Bên phải: Một con ong đang thu thập phấn hoa từ một bông hoa màu đỏ. Ảnh: Audrey Abryutin (Getty Images).

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một “công tắc phân tử” đa protein được thực vật hiện đại sử dụng để quyết định số phận tế bào đã xuất hiện từ những loài thực vật trên cạn đầu tiên cách đây gần nửa tỷ năm. Nghiên cứu cho thấy hệ thống này đã được “tái sử dụng” qua hàng triệu năm, giúp thực vật thích nghi với đời sống trên cạn.

Trước đây, các nhà khoa học đã biết rằng cơ chế điều hòa này – gọi là phức hợp MBW – kiểm soát các tính trạng như màu cánh hoa và lông hút rễ ở thực vật có hoa hiện đại. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy hệ thống này đã hoạt động từ thời điểm thực vật có hoa tách khỏi nhóm địa tiền (rêu gan) trong giai đoạn đầu của tiến hóa thực vật trên cạn.

Giáo sư Beverley Glover, trưởng nhóm Tiến hóa và Phát triển thuộc Khoa Khoa học Thực vật, Đại học Cambridge, đồng thời là tác giả của bài báo, cho biết: “Điều khiến tôi hứng thú nhất ở nghiên cứu này là cảm giác như đang nhìn qua một chiếc kính thiên văn đặc biệt cho phép chúng ta thấy được điều gì đã diễn ra khi thực vật lần đầu tiên chuyển lên sống trên cạn khoảng 470 triệu năm trước - chúng ta có cơ hội hiểu được những công cụ mà các loài thực vật đầu tiên sử dụng để hình thành các loại tế bào khác nhau, và cách những công cụ đó đã đa dạng hóa theo thời gian”.

Tiến sỹ Thea Kongsted, tác giả chính của bài báo, hiện là nghiên cứu sau tiến sỹ tại Viện Sinh học Phân tử Thực vật Gregor Mendel ở Vienna, cho biết: “Phát hiện của chúng tôi giúp giải quyết một câu đố tiến hóa - mặc dù gần như tất cả thực vật đều tạo ra sắc tố đỏ, chúng lại thực hiện điều đó thông qua nhiều con đường hóa học khác nhau. Bằng cách hiểu chức năng của sắc tố ở tổ tiên chung của chúng, chúng ta có thể bắt đầu lý giải tại sao rất nhiều con đường khác nhau lại tiến hóa”.

“Chúng tôi phát hiện rằng mặc dù bản thân các sắc tố khác nhau, việc sản xuất chúng lại được kích hoạt bởi cùng một cơ chế di truyền ở các loài khác nhau. Hơn nữa, chúng tôi rất bất ngờ khi thấy rằng các yếu tố điều hòa sắc tố này đã được tái sử dụng cho các con đường mới ở rêu gan theo cách rất giống với sự tái sử dụng trong thực vật có hoa”.

Trong khi nhiều cơ chế di truyền cổ xưa khác được cấu tạo từ các “protein họ hàng” thuộc cùng một họ protein, thì phức hợp MBW là ví dụ đầu tiên được biết đến về một “đội điều hòa” gồm ba họ protein hoàn toàn khác nhau nhưng vẫn được bảo tồn nguyên vẹn trong suốt thời gian tiến hóa khổng lồ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Current Biology ngày 8 tháng 5 năm 2026.

Khám phá nguồn gốc của sự đa dạng thực vật

Phức hợp MBW là một đơn vị gồm 3 protein điều khiển sự biểu hiện gen đứng sau phần lớn sự đa dạng tế bào ở thực vật có hoa (angiosperms). Từ sắc tố màu ở cánh hoa cho đến lông bảo vệ trên lá và sự sắp xếp chính xác của lông hút rễ, gần như mọi loại tế bào chuyên hóa trên bề mặt thực vật đều được quản lý bởi phức hợp này.

Trong phức hợp:

• “W” được cho là đóng vai trò khung nâng đỡ, giúp “M” và “B” liên kết với nhau.

• Khi kết nối, các yếu tố “M” và “B” sẽ kích hoạt hàng loạt gen phía dưới quyết định đặc điểm chuyên hóa của tế bào.

Do thực vật mang nhiều phiên bản khác nhau của protein “M”, nên loại “M” nào tham gia vào phức hợp sẽ quyết định số phận của tế bào đó.

Để xác định xem MBW là một phát minh tiến hóa gần đây hay là một đặc tính tổ tiên cổ xưa, nhóm nghiên cứu đã tách các gen “M”, “B” và “W” từ rêu gan Marchantia polymorpha. Họ phát hiện rằng các protein ở địa tiền (rêu gac) cũng lắp ráp thành cấu trúc 3 phần giống như ở thực vật có hoa.

Rêu gan thuộc nhóm bryophyte - nhánh thực vật tách ra rất sớm khỏi dòng tiến hóa dẫn đến thực vật có hoa ngay tại gốc của cây tiến hóa thực vật. Việc tìm thấy phức hợp MBW ở đây cho thấy bộ máy điều hòa này là đặc tính tổ tiên của toàn bộ thực vật trên cạn và vẫn là “bộ công cụ nền tảng” của giới thực vật ngày nay.

Từ kem chống nắng đến hệ thống phòng vệ hóa học: Tái sử dụng để sinh tồn

Hai gen “M” khác nhau ở rêu gan kiểm soát các số phận tế bào khác nhau.

Một gen điều khiển việc tạo ra sắc tố đỏ gọi là auronidins, giúp bảo vệ cây khỏi nhiễm bệnh và tia UV. Các bằng chứng cho thấy việc sản xuất những sắc tố giống “kem chống nắng” này có thể là chức năng nguyên thủy của phức hợp MBW, giúp thực vật chịu được ánh nắng mặt trời - một thích nghi cực kỳ quan trọng để tồn tại trên cạn.

Gen “M” còn lại chịu trách nhiệm hình thành các “oil bodies” - các túi dầu cực nhỏ đặc trưng ở rêu gan, nơi lưu trữ các hợp chất độc nhằm ngăn động vật ăn cây.

Nhiều khả năng gen “M” thứ hai là kết quả của sự đột biến từ gen điều hòa sắc tố ban đầu, sau đó được nhân đôi và biến đổi để thực hiện chức năng mới này.

Quan trọng hơn, khi các nhà nghiên cứu sử dụng CRISPR để loại bỏ gen “B”, cây đã mất cả màu đỏ lẫn các oil bodies bảo vệ. Điều này cho thấy các gen “M” không hoạt động độc lập mà phụ thuộc vào toàn bộ khung phân tử MBW để hoạt động.

Ngoài ra, sự nhân đôi của các protein “M” ở rêu gan xảy ra độc lập với các sự kiện nhân đôi ở thực vật có hoa. Điều này cho thấy phức hợp MBW đã liên tục được “tái giao nhiệm vụ” để điều hòa các loại tế bào chuyên hóa mới trong suốt quá trình tiến hóa thực vật.

Một bản thết kế được lặp lại qua thời gian

Nghiên cứu này cho thấy tự nhiên hoạt động cực kỳ hiệu quả. Thay vì phát minh hoàn toàn các hệ thống mới, tự nhiên thường nhân đôi và tinh chỉnh những bộ phận cụ thể của một cỗ máy cổ xưa đã được kiểm chứng để đáp ứng các thách thức môi trường mới.

Các phát hiện cho thấy phần lớn sự đa dạng tính trạng ở thực vật hiện nay là kết quả của việc tiến hóa liên tục “sao chép và dán” bộ công cụ cổ xưa này. Điều đó hé lộ một “bản thiết kế sinh tồn” được tái sử dụng: Bằng cách điều chỉnh các yếu tố “M” cụ thể, thực vật đã liên tục đổi mới thành công trong suốt hàng trăm triệu năm.

Thiết kế thế hệ thực vật tiếp theo

Nghiên cứu này không chỉ giúp giải quyết một câu đố tiến hóa mà còn mở ra định hướng cho nông nghiệp và công nghiệp hiện đại. Việc hiểu cách các loại tế bào thực vật được biến đổi qua tiến hóa có thể giúp các nhà khoa học xây dựng chiến lược điều chỉnh số phận tế bào ở cây trồng và tối ưu hóa việc sản xuất sắc tố, dược phẩm và các sản phẩm phục vụ công nghiệp thực phẩm.

Bằng cách học cách “bật/tắt” các gen “M” chuyên biệt, con người có thể chuyển từ những thay đổi di truyền khó kiểm soát sang các chỉnh sửa tính trạng ở mức độ chính xác rất cao.

Kiến thức này có thể giúp biến thực vật thành các “nhà máy sinh học chính xác” có khả năng sản xuất hàng loạt protein dược liệu hoặc lipid giá trị cao.

Quan trọng hơn, nghiên cứu còn có thể góp phần giúp nông nghiệp thích nghi với biến đổi khí hậu. Ví dụ:

• điều chỉnh mật độ lông trên lá giúp chống sâu hại,

• hoặc lông hút rễ giúp hấp thu dinh dưỡng tốt hơn,

qua đó hỗ trợ cây trồng thích nghi với môi trường thay đổi nhanh chóng.

Cuối cùng, nghiên cứu nhắc nhở chúng ta rằng sự đa dạng đáng kinh ngạc của thế giới hiện đại là kết quả của hàng triệu năm “tái chế thông minh” của tự nhiên. Và có lẽ chính điều đó sẽ trở thành bản thiết kế chức năng cho việc tạo ra thế hệ thực vật tiếp theo.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Cambridge.