Cấu trúc đáng ngạc nhiên của nhễm sắc thể giới tính cây liễu

Hoa cái S. purpurea. Ảnh: Larry Smart, Đại học Cornell.

Giới tính ở thực vật có thể gây hoang mang. Hầu hết các loài là lưỡng tính, nó biểu hiện cả giao tử đực và cái ở một cá thể. Tuy nhiên, một số loài thực vật, bao gồm cây liễu Salix purpurea, sử dụng chiến lược tiến hóa mà chúng ta quen thuộc hơn nhiều: phân biệt giữa giới tính đực và cái. Lúc đầu, nhiễm sắc thể giới tính của cây liễu đã được giải trình tự với độ phân giải đủ để phân tích cấu trúc của chúng. Các nhà khoa học tìm thấy một gen có khả năng quan trọng đối với việc xác định giới tính và cấu trúc di truyền chung với nhiễm sắc thể Y ở động vật có vú: một cấu trúc giúp điều chỉnh các đột biến gây hại.

Cây liễu và cây họ hàng gần của nó Populus trichocarpa, hay cây dương, là những nguyên liệu nhiên liệu tiềm năng được Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) quan tâm (Cây dương là một loại cây xếp đầu). Để thiết kế chúng, các nhà nghiên cứu cần chọn và nhân giống cho thế hệ tiếp theo. Bằng cách hiểu các cơ chế mà chúng sinh sản có thể trợ giúp hướng dẫn cho các nỗ lực nhân giống. Ví dụ, việc khám phá các dấu hiệu di truyền của giới tính cho phép các nhà khoa học phát triển các xét nghiệm phân tử để có thể phân biệt được đực và cái ngay cả khi thực vật có thời gian đa thế hệ nhiều năm còn non và không có sự khác biệt về thể chất. Hiểu các cơ chế xác định giới tính cũng có thể dẫn đến các phương pháp mới để tăng tốc ra hoa, có thể đẩy nhanh tốc độ sinh sản. Một khi các giống cây trồng được tối ưu hóa, kiến thức cũng có thể giúp ngăn chặn sự ra hoa, điều này sẽ tăng cường an toàn sinh học của cây biến đổi gen.

Cây liễu khác biệt giữa những cây đực và cái, một sự phát triển được trao cho bởi nhiễm sắc thể giới tính của nó. Ở người, con đực là "dị giao tử": chúng có nhiễm sắc thể giới tính khác nhau, tức là, XY thay vì XX. Tuy nhiên, giống như một số loài thực vật và chim biết hót, hệ thống trong cây liễu bị ngược: giới tính cái không đồng nhất. Để tránh nhầm lẫn với hệ thống động vật có vú, nhiễm sắc thể giới tính được gọi là Z và W thay vì X và Y, và ZW thay vì ZZ mã hóa cho giới tính cái.

Hoa đực S. purpurea. Thực hiện: Larry Smart, Đại học Cornell.

Để hiểu rõ hơn về cách xác định giới tính hoạt động ở cây liễu, các nhà nghiên cứu đã điều tra cấu trúc của nhiễm sắc thể giới tính của một mẫu đực và một mẫu cái. Stephen DiFazio, nhà sinh vật học thực vật tại Đại học West Virginia (WVU), đã dẫn đầu nhóm nghiên cứu quốc tế, bao gồm các nhà khoa học từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Viện Genome (Bộ gene thực vật,JGI) thuộc Bộ năng lượng Hoa Kỳ (DOE), Văn phòng thiết bị sử dụng khoa học DOE đặt tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley. JGI đã giải trình tự loài liễu thông qua Chương trình Khoa học Cộng đồng, sử dụng trình tự đọc liên tục để tập hợp các khu vực lặp đi lặp lại của các nhiễm sắc thể giới tính hoàn chỉnh. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Genome Biology.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiễm sắc thể W của cây liễu có cấu trúc palindromic (đọc xuôi, ngược đều tương tự như nhau), lần đầu tiên được nhìn thấy trong nhiễm sắc thể giới tính thực vật. Palindromes là các đoạn lặp đảo ngược lớn với các trình tự rất giống nhau để các trình tự của chúng đọc cùng (hoặc gần như) lùi và tiến, giống như tên "Hannah". Palindromes được cho là cấu trúc quan trọng trong nhiễm sắc thể Y của con người bởi vì, tương tự như nhiễm sắc thể W, chúng thiếu một đối tác để tái tổ hợp tương đồng. Palindromes cung cấp một sự thay thế; do sự giống nhau về trình tự bên trong của chúng, chúng cho phép các bản sao gen xếp lại với nhau và do đó được sử dụng làm mẫu để điều chỉnh các đột biến. Quá trình này, được gọi là chuyển đổi gen, giúp duy trì tính toàn vẹn của các chuỗi. Ví dụ, sự đa dạng của các palindrome được quan sát thấy trong tự nhiên, ở người nhiễm sắc thể Y và một số nhiễm sắc thể W của loài chim gợi ý rằng chúng đủ lợi thế để tiến hóa độc lập nhiều lần.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org

Một ví dụ minh họa về cây liễu (Salix purpurea) từ Flora von Deutschland, Österreich und der Schweiz của Otto Wilhelm Thomé. Thực hiện: Wikimedia Commons, người dùng Kurt Stueber

Các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy một gen có khả năng chịu trách nhiệm xác định giới tính. Nhiều gen phân biệt nhiễm sắc thể giới tính của cây liễu, vì vậy các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cây dương mà các gen có thể được chia sẻ chung giữa nhiễm sắc thể Y của cây dương, Cây dương có một hệ thống XY, và nhiễm sắc thể W của cây liễu. Một gen được chia sẻ đặc biệt nổi bật: một chất điều chỉnh phản ứng cytokinin đã được mở rộng trong một palindrome và cho thấy đang trải qua quá trình chuyển đổi gen ở cây liễu. Gen này quy định sự biểu hiện của các gen khác để đáp ứng với cytokinin, một loại hormone thực vật quan trọng, làm cho nó trở thành một cơ chế hợp lý để xác định giới tính ở hai loài này và, có lẽ tổng quát hơn.

Thông tin thêm: Ran Zhou et al. A willow sex chromosome reveals convergent evolution of complex palindromic repeats, Genome Biology (2020). DOI: 10.1186/s13059-020-1952-4

Thông tin tạp chí: Genome Biology