Các nhà nghiên cứu giải mã sự mất gen trên bộ genome của cây kê

Sự phân bố phân kỳ của các gen nhảy (TE) và mô hình hình thành thể tứ bội ở kê . Trục Y biểu thị số lượng TE được chuẩn hóa theo kích thước bộ gen. Mô hình hình thành thể tứ bội và sự tiến hóa của các gen nhảy trong bộ gen: AA và BB khác nhau từ một tổ tiên chung. Do môi trường khác nhau của chúng, tốc độ tiến hóa của các gen nhảy trong bộ gen cũng khác nhau, dẫn đến sự khác biệt trong sự phân bố phân kỳ của chúng. Sau đó, AA và BB hợp nhất thành thể tứ bội, các gen con A và B trong bộ gen tứ bội mới hình thành ở trong cùng một môi trường nên tốc độ tiến hóa của các gen nhảy có xu hướng như nhau.

Thể đa bội phổ biến ở thực vật và đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của hầu hết các bộ gen ở thực vật hạt kín. Ví dụ, nhiều loại cây trồng được thuần hóa là đa bội (ví dụ: lúa mì, cà phê, bông và lạc) hoặc di bội (ví dụ: lúa, ngô, đậu tương và lúa miến). Sau khi đa bội hóa, đặc biệt là trong thể dị đa bội, các bộ gen phụ có thể làm giảm khả năng không tương thích di truyền thông qua quá trình tái nhị bội hóa, một quá trình liên quan đến sự mất gen nhanh chóng. Mặc dù quá trình lưỡng bội hóa đóng vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của các gen mới và loài mới, động lực  thúc đẩy quá trình lưỡng bội hóa và các cơ chế cơ bản của chúng vẫn chưa rõ ràng.

Thể nhị bội ở kê, thuộc họ Gramineae, là một trong những cây trồng được thuần hóa sớm nhất ở Bắc Trung Quốc. Tuy nhiên, do các tổ tiên lưỡng bội chưa được xác định, việc xác định các bộ gen và ước tính thời gian dị bội hóa là một thách thức đối với cây kê, điều này hạn chế sự hiểu biết về nguồn gốc và quá trình lưỡng bội hóa của cây trồng dị bội cổ đại này.

Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm của giáo sư Chen Mingsheng từ Viện Di truyền và Sinh học Phát triển (IGDB) của Viện Khoa học Trung Quốc (CAS) đã tập hợp các trình tự bộ gen ở cấp độ nhiễm sắc thể của cây kê.

Họ đã chia bộ gen của cây kê thành hai bộ gen con bằng phương pháp dựa trên khoảng cách tiến hóa sử dụng P. hallii làm vật trung gian. Việc xác định thành công các bộ gen con cung cấp cơ sở để nghiên cứu sự tiến hóa dị bội ở kê. Hơn nữa, cách tiếp cận để xác định các bộ gen con của một thể dị đa bội trong nghiên cứu này là một tài liệu tham khảo đáng tin cậy cho các nghiên cứu về các thể dị đa bội khác mà không có tổ tiên lưỡng bội tổ tiên được xác nhận.

Hơn nữa, họ đã tính toán sự phân kỳ của các yếu tố gen nhảy (TE) giữa các bộ gen con của kê để ước tính thời gian của sự kiện nhị bội hóa. Các phân tích của họ tiết lộ rằng hai bộ gen con đã tách ra vào khoảng ~4,8 triệu năm năm trước, trong khi quá trình dị bội hóa của kê có thể đã xảy ra vào khoảng ~0,48 triệu năm năm trước, cho thấy rằng kê là một thể dị bội tương đối gần đây.

Các phân tích so sánh cho thấy rằng bộ gen con B có kích thước lớn hơn bộ gen con A, nguyên nhân là do sự tích lũy sai lệch của các nhân tố chuyển vị ngược lặp lại ở đầu cuối dài trong bộ gen con B trước khi đa bội hóa. Đáng chú ý, sự tích lũy các đột biến sai lệch trong bộ gen con B giàu nguyên tố gen nhảy có thể thay thế dẫn đến mất nhiều gen hơn.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng không có gen đồng dạng nào cùng biểu hiện trong cả hai bộ gen con và không có những gen đồng dạng nào được biểu hiện trong một bộ gen con cho thấy bằng chứng về sự thống trị biểu hiện của bộ gen con. Tuy nhiên, họ nhận thấy các gen biểu hiện tối thiểu ở P. hallii có xu hướng bị mất trong quá trình lưỡng bội hóa của kê.

Công trình náy là một ví dụ về lưỡng bội hóa, trong đó bộ gen tứ bội trải qua quá trình phân đoạn sai lệch tinh vi. Tuy nhiên, không có sự thống trị biểu hiện bộ gen con nào được thiết lập.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org