Giải mã sự tiến hóa của một dạng quang hợp khác thường ở một loại cây nhiệt đới

Thực vật sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa nước và CO₂ thành các dạng đường giàu năng lượng và oxy thông qua nhiều cơ chế (quang hợp). Khô hạn là một thách thức lớn đối với quá trình này. Một nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Wolfram Weckwerth, Đại học Vienna đã chứng minh một biến thể quang hợp đặc biệt tiết kiệm nước (CAM) đã tiến hoá thông qua nhiều cách ngay trong một chi cây nhiệt đới. Bằng cách phân tích bộ gen của ba loài thuộc chi Clusia, các nhà nghiên cứu có thể truy vết cách thức bộ gen nhân đôi và tái sắp xếp di truyền xảy ra sau đó góp phần tạo nên sự đa dạng của các đặc tính quang hợp kiểu CAM khác nhau. Những phát hiện gần đây đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Vào khoảng năm 1800, Alexander von Humboldt đã ghi nhận một quan sát khác thường. Ông đã nhúng lá của một loại cây nhiệt đới vào nước và nhận thấy rằng, mặc dù có ánh sáng mặt trời, không có các bọt khí oxy được hình thành - trái ngược với những hiện tượng ông đã quan sát trước đó. Thực vật này giữ những lỗ khí khổng của nó - thông thường được sử dụng để hấp thụ CO₂ và phóng thích oxy trong ngày - chúng đóng lại trong suốt thời gian có ánh sáng trong ngày nhờ đó ngăn ngừa được hiện tượng mất nước thông qua sự bốc hơi. CO₂ được hấp thụ sau đó vào buổi tối, được cố định về mặt hóa học và dự trữ dưới dạng axit malic. Cơ chế này được gọi là quang hợp kiểu CAM. Tuy nhiên, cơ chế này đã tiến hóa ở trong chi Clusia như thế nào và tại sao chúng lại xảy ra ở nhiều hình thức khác nhau đến nay vẫn chưa được hiểu rõ ràng.

Về nghiên cứu này

Trong khuôn khổ nghiên cứu, bộ gen của ba loài thuộc chi Clusia đại diện cho các kiểu hình CAM khác nhau đã được phân tích: Clusia rosea, Clusia minor và Clusia major. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp dữ liệu phân tử với đánh giá sinh lý dưới những điều kiện môi trường thực tế.

Đánh giá quang hợp trên cây Clusia minor. Dưới những điều kiện stress, cây này bật chế độ quang hợp CAM. Dưới những điều kiện thuận lợi và nguồn nước đầy đủ, quá trình quang hợp truyền thống C₃ diễn ra.

Từ bộ gen tới quá trình quang hợp

Chi Clusia bao gồm những loài cây thân gỗ duy nhất hiện được biết đến có thực hiện quang hợp kiểu CAM và thể hiện một chuỗi chiến lược quang hợp đặc biệt - từ quang hợp C₃ cổ điển, trong đó thực vật hấp thu CO₂ vào ban ngày, tới quang hợp kiểu CAM rất mạnh. Sự đa dạng này khiến chúng trở thành một mô hình nghiên cứu lý tưởng để khảo sát các chuyển tiếp tiến hóa giữa những dạng quang hợp khác nhau. Các phân tích cho thấy ba loài Clusia đều là các thể đa bội cổ -  bộ gen của chúng đã được nhân lên trong tiến trình tiến hóa và sau đó được tái cấu trúc trong những khoảng thời gian dài. Giáo sư Hannes Kramml, tác giả chính, Bộ môn Sinh học Hệ thống Phân tử, Khoa Sinh thái học Chức năng và Tiến hóa, Đại học Viena giải thích: “Trong quá trình đó, các bản sao của gen có thể bị mất đi, bị bất hoạt, hoặc đảm nhận các chức năng mới”. Tác giả chính thứ hai, Johannes Herpell bổ sung: “Bộ gen không chỉ đơn giản là nhân đôi; qua hàng triệu năm, chúng tái sắp xếp, tinh giản và tái cấu hình về mặt chức năng. Tính dẻo dai rất lớn này, lý giải cho sự đa dạng về sinh lý của quang hợp kiểu CAM trong chi Clusia”.

Quang hợp kiểu CAM dưới những điều kiện môi trường thực tế

Để điều tra những ảnh hưởng khác biệt về mặt di truyền này, nhóm nghiên cứu đã phân tích các cây trong suốt chu kỳ ngày – đêm dưới điều kiện nhà kính gần với tự nhiên, với mức độ thay đổi của nước. Họ đã kết hợp đánh giá sinh lý với phân tích hoạt tính gen, protein và các hợp chất thứ cấp. Clusia rosea thể hiện quang hơp CAM mạnh, với khả năng dự trữ CO₂ dưới dạng axit malic. Clusia minor chủ yếu kích hoạt CAM trong các điều kiện gây stress, trong khi Clusia major biểu hiện một dạng lai giữa quang hợp C₃ và CAM. Những khác biệt này được phản ánh nhất quán trong hoạt tính gen và các đặc tính chuyển hoá, đồng thời có thể liên kết với các biến đổi di truyền vừa được nhận diện. Theo đó, CAM dường như không phải là một sự kiện tiến hoá một lần rồi thôi, mà là kết quả của các đợt tái tổ chức hệ gen lặp đi lặp lại, qua đó cho phép các loài thích nghi với những điều kiện sinh thái rất khác nhau.

Ứng dụng đối với nông nghiệp và khả năng chống chịu khí hậu

Các loài thực vật quang hợp kiểu CAM cần lượng nước ít hơn đáng kể, vì vậy được xem là những mô hình tiềm năng cho các cây trồng có khả năng chống chịu tốt trước biến đổi khí hậu. Dữ liệu hệ gen mới cho phép nhận diện các quá trình chuyển hoá liên quan đến khả năng cố định CO₂ hiệu quả và hiệu suất sử dụng nước cao. Về lâu dài, các phát hiện này có thể hỗ trợ việc cải tiến cây trồng có chủ đích hơn nhằm thích nghi với các điều kiện môi trường khô hạn.

Tóm tắt

• Bên cạnh quang hợp truyền thống, thực vật còn có thể sử dụng một biến thể tiết kiệm nước trong đó CO₂ được hấp thu chủ yếu vào ban đêm (quang hợp kiểu CAM).

• Chi cây nhiệt đới Clusia thể hiện mức độ đa dạng đặc biệt của các dạng quang hợp kiểu này và cho đến nay là chi dạng cây gỗ duy nhất được biết có sở hữu quang hợp kiểu CAM.

• Nhân đôi bộ gen và các tái sắp xếp di truyền diễn ra sau đó có mối liên hệ chặt chẽ với sự đa dạng nói trên.

• Các gen tham gia vào quá trình phân giải tinh bột và cung cấp năng lượng bị tác động đặc biệt.

• Những kết quả này cung cấp hiểu biết quan trọng để làm rõ các quá trình chuyển hoá sử dụng nước hiệu quả, qua đó ứng dụng cho việc phát triển cây trồng thích ứng với khí hậu.

Trương Thị Tú Anh theo Đại học Vienna.