Ký sinh nông nghiệp tránh cuộc đua vũ trang tiến hóa, tắt các gen của ký chủ

Một loài thực vật ký sinh đã tìm ra cách để phá vỡ cuộc đua vũ trang tiến hóa với các cây ký chủ mà nó ăn cắp dinh dưỡng, cho phép nó phát triển trên một loạt các cây trồng nông nghiệp quan trọng. Cây tơ hồng ký sinh, một loài dịch hại nông nghiệp được tìm thấy ở khắp các châu lục, đưa vật liệu di truyền vào cây ký chủ của nó nhằm làm tắt các gen phòng vệ của cây ký chủ.

Theo một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại bang Pennsylvania, tơ hồng nhắm vào các gen được bảo tồn tiến hóa của cây ký chủ và đưa vào đó nhiều phiên bản vũ khí di truyền hơi khác nhau một chút của nó để đảm bảo tính hiệu quả. Chiến lược này hạn chế khả năng đối phó của cây ký chủ và nó được mô tả trong một bài báo trực tuyến trên tạp chí eLife vào ngày 17 tháng 12.

Thay vì tự tạo ra năng lượng thông qua quá trình quang hợp, cây tơ hồng sẽ tự quấn quanh một cây chủ, sử dụng các cấu trúc đặc biệt của nó để hút nước và chất dinh dưỡng. Tơ hồng có thể ký sinh trên nhiều loài thực vật, bao gồm một số loài cây trồng nông nghiệp quan trọng như cà chua, và cấu trúc tua cuốn dày đặc như cây nho của nó có thể gây trở ngại cho máy móc thu hoạch. Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi giáo sư Sinh học bang Pennsylvania tên là Michael Axtell, người trước đó đã xác định rằng tơ hồng đưa microRNA - các đoạn axit nucleic ngắn có trình tự khớp với một đoạn của gen ký chủ - vào vật chủ của nó. Liên kết với các RNA thông tin mã hóa protein ký chủ để ngăn chặn việc tổng hợp protein của ký chủ.

Giáo sư Axtell cho biết: Nếu quá trình này gây bất lợi cho cây ký chủ, chúng ta hy vọng các gen mục tiêu ở cây ký chủ sẽ thay đổi theo thời gian do chọn lọc tự nhiên hoặc thậm chí do tình cờ. Loại quá trình này thường dẫn đến cái mà chúng ta gọi là cuộc chạy đua vũ trang tiến hóa, trong đó ký chủ và ký sinh luân phiên thay đổi một chút trình tự gen của chúng để tăng cường tính kháng. Chúng tôi muốn biết liệu đây có thực sự là trường hợp như vậy.

Nhóm nghiên cứu đã xác định các microRNA có liên quan đến sự điều hòa gen giữa các loài trong số bốn loài tơ hồng khác nhau. Đáng ngạc nhiên là microRNA thường giống nhau từ loài này sang loài khác và thậm chí từ cây này đến cây khác. Nhóm nghiên cứu đã nhóm các microRNA có một số tương đồng về trình tự thành khoảng 18 “siêu gia đình”, mỗi siêu gia đình gồm 3–5 microRNA.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã điều tra các mục tiêu của những siêu gia đình này trên một loạt các loài ký chủ và thấy rằng các gen mục tiêu được bảo tồn rất cao, có nghĩa là chúng nhìn chung rất giống nhau giữa các loài và không thay đổi nhiều theo thời gian. Điều này thường xảy ra ở các gen mã hóa các protein quan trọng, bởi vì bất kỳ thay đổi tiến hóa nào đối với những gen này đều có thể phá vỡ chức năng của chúng.

Ông Jonathan Johnson, nghiên cứu sinh về sinh học thực vật tại bang Pennsylvania và là tác giả đầu tiên của bài báo cho biết: “Các axit amin mục tiêu là các axit amin được bảo tồn tốt nhất trong chuỗi protein. Vì vậy, chúng tôi cho rằng trình tự gen không thể thay đổi do chọn lọc tự nhiên hoặc các sự phá vỡ protein nào khác. Bởi vì ký chủ không thể thay đổi trình tự gen mà không bị ảnh hưởng tiêu cực đến chức năng của chính nó, nên ký sinh hoàn toàn tránh được một cuộc chạy đua vũ trang ở cấp độ di truyền.

Các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng, sự thay đổi trong một siêu gia đình microRNA trùng khớp hoàn toàn với sự thay đổi trong các gen mục tiêu của ký chủ. Các axit amin trong protein được mã hóa bởi một bộ ba axit nucleic, axit nucleic thứ ba trong bộ có thể được thay đổi mà không ảnh hưởng đến axit amin thu được. Người ta nhận thấy rằng, những sự thay đổi trong trình tự gen của cây ký chủ - và các microRNA tương ứng - thường xảy ra ở vị trí thứ ba này.

Johnson nói: Dường như cây tơ hồng tạo ra nhiều phiên bản microRNA của nó để giải thích cho sự thay đổi tự nhiên trong các gen mục tiêu của ký chủ. Chiến lược súng săn này có khả năng cũng giúp cây ký sinh thành công trong việc chống lại sự đa dạng rất lớn của các loài ký chủ.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ khám phá ra nguồn gốc tiến hóa của những microRNA này, cũng như các cơ chế phân tử và cơ chế tế bào của việc chuyển chúng từ cây ký sinh sang cây ký chủ.

Axtell cho biết: “Các microRNA trong các siêu gia đình này đã trải qua quá trình chọn lọc tự nhiên để nhắm mục tiêu vào những điểm được bảo tồn này. Chúng ta đang nhìn vào những con dao đã được mài sắc, nhưng nguồn gốc của chúng là gì? Trước đây đã có những nghiên cứu về sự điều hòa gen giữa các loài bằng các RNA nhỏ, nhưng đây là bằng chứng đầu tiên cho thấy các quá trình này đã phải chịu tác động của chọn lọc tự nhiên”.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo PSU.