Các nhà khoa học tạo ra đồng hồ tiến hóa "Evolution Watch" cho cây trồng

Bằng cách sử dụng một loài cỏ “quá giang” (hitchhiking), các nhà khoa học thuộc Viện nghiên cứu sinh học phát triển Max Planck tiết lộ lần đầu tiên tốc độ đột biến của một cây trồng trong tự nhiên.

Họ đã so sánh 100 bộ gene lịch sử và hiện đại của cây Arabidopsis bé nhỏ để đo chính xác tốc độ phát triển trong tự nhiên. Cây lâu đời nhất được bảo quản trong phòng lưu mẫu thảo mộc từ năm 1863. Vào thời điểm này, các nhà khoa học ước tính rằng loài cây này đã tồn tại trên thế giới mới hơn 200 năm. Hai phương pháp khác nhau cho kết quả tương tự, Arabidopsis đã được lan truyền bởi người châu Âu đến Bờ Đông Hoa Kỳ khoảng năm 1600. Hầu như chắc chắn nó đã được lan truyền tới đó có thể do mang trên đôi giày của người châu Âu, hoặc trộn lẫn với hạt của cây ăn được.

Credit: Moises Exposito-Alonso, Claude Becker and colleagues

Nhóm nghiên cứu tập trung vào các mẫu từ Bắc Mỹ vì họ biết rằng một họ gen đặc biệt của Arabidopsis đã rất phổ biến ở đó, cho thấy cơ hội để quan sát các đột biến mới thu được. So sánh 100 bộ gen hoàn chỉnh cho thấy có 5000 đột biến mới, một số trong đó có thể mang lại cho cây trồng lợi thế thích nghi với môi trường mới của nó. Loài cây đã phát tán trong đất liền cùng với sự định cư của con người, dần dần tách ra khỏi tổ tiên châu Âu mà nó bắt nguồn. Các mẫu của các loài trên cùng một con đường ngày nay cho thấy rễ ngày càng sâu và phát triển nhanh, có lẽ là bằng chứng rằng nó thích nghi trong một hành trình dài.

Moises Exposito-Alonso, tác giả đầu tiên của bài báo đăng trên tạp chí PLOS Genetics, cho biết: “Bộ sưu tập các quần thể xâm lấn được lấy mẫu từ những thời điểm khác nhau trong lịch sử cho phép chúng ta theo dõi quá trình tiến hóa sống động”.

Họ sắp xếp các bộ gen của 100 cây được các nhà thực vật học thu thập từ năm 1863 đến năm 2006. Tất cả các mẫu từ trước năm 1990 được lấy từ các bộ sưu tập trong bảo tàng của các cây khô. Các cây khô lâu đời nhất, được bảo quản trong thời gian cách đây 150 năm, cho thấy chúng đã phát triển ra sao trong thời gian đó. Các cây trẻ nhất tiếp tục thay đổi và tiến hóa. Bằng cách so sánh bộ gen của thực vật đã tách ra từ tổ tiên chung cho những khoảng thời gian khác nhau, các nhà khoa học tính toán có bao nhiêu đột biến thu được hàng năm.

Điều này cho phép nhóm nghiên cứu suy luận rằng tổ tiên chung cuối cùng của dòng họ phải sống vào cuối thế kỷ 16 hoặc đầu thế kỷ 17, trùng với thời gian mà nhiều người đã đến bằng thuyền từ châu Âu, đặc biệt là từ miền nam nước Anh, bờ biển phía tây của Pháp và Hà Lan. Điều này rất đáng ngạc nhiên, vì một ước tính trước đó, không sử dụng thông tin di truyền từ các mẫu thực vật khô, gợi ý rằng cây Arabidopsis chỉ mới xâm nhập vào thế kỷ 19.

Arabidopsis không phải là một loại cỏ dại độc hại, nhưng những phát hiện này giúp tiết lộ một số quá trình tiến hóa cơ bản đằng sau khả năng xâm lấn của các loài xâm lấn vào môi trường mới. Đặc biệt, chúng mở ra một số bí mật của “nghịch lý di truyền của cuộc xâm lược”. Điều này xảy ra khi một nhóm xâm lược có tính đa dạng di truyền thấp vẫn thành công đáng ngạc nhiên trong một môi trường mới.

Để xác định ảnh hưởng của các đột biến mới, các nhà khoa học đã trồng một số cây trong phòng thí nghiệm để xác định bất kỳ sự khác biệt nào trong sự sinh trưởng. Thực tế là những khác biệt này đã được tìm ra cho thấy một số đột biến xuất hiện trong 400 năm qua đã tạo ra một lợi thế trong thời kỳ nội địa hóa.

Hernán Burbano, một trong những người giám sát nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên vì khoa học giáo điều cho rằng sự tiến hóa thường tiến triển với tốc độ chậm hơn nhiều”.

“Tỷ lệ tiến hóa chính xác cho thực vật và động vật sẽ là nền tảng để tái tạo lại quá khứ của chúng và để dự đoán cơ hội cho những đặc điểm ưu thế mới xuất hiện. Kết quả của chúng tôi cho thấy các mẫu lưu của thực vật và động vật có thể là nguồn gốc của một ngành di truyền học mới trong tương lai”. Exposito nói.

Lê Thị Thanh theo Phys.org