Lục lạp di truyền từ người bố

Trong điều kiện lạnh, không chỉ cây mẹ mà cả cây bố cũng có thể truyền lục lạp cho cây con.

Các nhà khoa học tại Viện Sinh lý Thực vật Phân tử Max Planck ở Potsdam (Đức) lần đầu tiên phân tích sự di truyền của lục lạp trong nhiều điều kiện môi trường. Trái ngược với quan điểm phổ biến rằng lục lạp chỉ được truyền bởi cây mẹ, lục lạp của cây bố cũng có thể được truyền cho cây con trong điều kiện lạnh. Do đó, lục lạp của mẹ và con gặp nhau ở thế hệ con và có thể trao đổi vật chất di truyền với nhau. Những phát hiện mới này có thể lần đầu tiên cho phép các nhà nhân giống cây trồng sử dụng có chọn lọc các đặc điểm từ vật chất di truyền của lục lạp.

Cây con giống thuốc lá trên môi trường sinh trưởng có kháng sinh. Những cây có lục lạp di truyền hoàn toàn nhạy cảm với kháng sinh thì nhợt nhạt. Hai cây con chứa lục lạp còn nguyên vẹn trong lá (mũi tên đỏ). Những lục lạp này có khả năng kháng thuốc kháng sinh và được truyền lại từ cây bố.

Câu chuyện về hoa và ong là phần mở đầu kinh điển cho một chủ đề vẫn còn quá ít được thảo luận trong xã hội của chúng ta: Giới tính ở thực vật! Khi thực vật sinh sản, các tinh trùng (giao tử đực) trong hạt phấn hoa hợp nhất với tế bào trứng trong bông hoa mà phấn hoa đã rơi vào. Bằng cách này, vật liệu di truyền của nhân tế bào của cả bố và mẹ được kết hợp trong hạt. Điều này rất quan trọng, vì nó cho phép loại bỏ các đột biến có hại mà nếu không sẽ tích tụ trong vật liệu di truyền qua nhiều thế hệ.

Bào quan chứa bộ gen của riêng mình

Ngoài vật liệu di truyền trong nhân tế bào, ty thể và lục lạp cũng chứa vật liệu di truyền. Ty thể là động cơ đốt cháy của tế bào. Các tế bào động vật và thực vật sử dụng chúng để đốt cháy carbohydrate và sử dụng năng lượng được giải phóng cho quá trình trao đổi chất của chúng. Thực vật cũng có lục lạp. Chúng chứa chất diệp lục sắc tố màu xanh lá cây và là năng lượng mặt trời của các tế bào thực vật. Lục lạp cho phép thực vật thu năng lượng mặt trời trong một quá trình được gọi là quang hợp để tạo ra carbohydrate.

Ty thể và lục lạp có vật liệu di truyền riêng, bởi vì chúng bắt nguồn từ vi khuẩn được tổ tiên của tế bào động vật và thực vật hiện đại sử dụng hơn một tỷ năm trước. Ty thể và lục lạp đã thiết lập một cộng đồng cộng sinh trong tế bào và những liên kết trước đây giờ trở nên không thể thiếu đối với sự sống của thực vật.

Ai cũng biết rằng bộ gen của ty thể và lục lạp, không giống như vật liệu di truyền trong nhân tế bào, không được thừa hưởng như nhau từ bố và mẹ. Cả hai hầu như chỉ được truyền bởi người mẹ, bởi vì chúng hoàn toàn không xâm nhập vào giao tử đực (tinh trùng), hoặc vật chất di truyền của chúng bị phân hủy trong phấn hoa. Nếu ty thể và lục lạp từ mẹ và bố không bao giờ gặp nhau, chúng không thể giao hợp để trao đổi vật chất di truyền. Do đó, các đột biến di truyền có hại sẽ tích lũy qua nhiều thế hệ và cuối cùng dẫn đến sự sụp đổ của bộ gen.

Các nhà khoa học đã đánh giá gần bốn triệu cây

Các nhà khoa học tại Viện Sinh lý học Thực vật Phân tử Max Planck hiện đã phát hiện ra rằng, trái ngược với suy nghĩ thông thường, cây thuốc lá có thể truyền lục lạp từ cây bố một cách thường xuyên trong những điều kiện môi trường nhất định. Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã tạo ra cây bố có lục lạp kháng kháng sinh. Những cây này sau đó được tiếp xúc với các điều kiện môi trường khác nhau như nóng, lạnh, hạn hán và ánh sáng mạnh trong quá trình trưởng thành của phấn hoa. Phấn hoa từ những cây này được sử dụng để thụ phấn cho cây mẹ chưa biến đổi gen.

Hạt tạo ra từ cây lai này được trồng trên môi trường nuôi cấy có chứa loại kháng sinh thích hợp. Vì chỉ có lục lạp của cây bố tồn tại trên môi trường này nên các tế bào chứa lục lạp từ cây bố có màu xanh lục, trong khi những cây chỉ có lục lạp di truyền từ cây mẹ thì có màu nhạt, vì những lục lạp này bị tẩy trắng do chúng nhạy cảm với kháng sinh. Bởi vì lục lạp di truyền từ bên nội là cực kỳ hiếm, các nhà khoa học đã phải xem xét gần bốn triệu cây con để chỉ ra rằng tỷ lệ lục lạp di truyền từ bên nội cao hơn 150 lần khi xử lý lạnh so với nhiệt độ bình thường.

Kế thừa của lục lạp có thể được thao tác

Sau thành công ban đầu này, các nhà nghiên cứu đã đi sâu vào chi tiết: Enrique Gonzalez-Duran, tham gia nghiên cứu, đã nhận xét:  "Chúng tôi biết rằng nhiệt độ lạnh làm chậm hoạt động của các enzyme. Do đó, chúng tôi nghi ngờ rằng một loại enzyme có thể liên quan đến việc ngăn chặn sự di truyền của lục lạp từ dòng bố". Các nhà khoa học đã tạo ra một cách có chọn lọc những cây mang một loại enzyme khiếm khuyết thường làm suy giảm vật liệu di truyền của lục lạp trong quá trình trưởng thành của phấn hoa. Thực vật có enzyme bị khiếm khuyết cũng cho thấy sự di truyền lục lạp từ bên nội tăng lên rất nhiều. Khi kết hợp lại, khiếm khuyết enzyme và ứng dụng lạnh trong quá trình phát triển phấn hoa đã dẫn đến tỷ lệ di truyền từ dòng bố là 2-3%. Kin Pan Chung, một tác giả khác của nghiên cứu cho biết: "Điều này nghe có vẻ không nhiều, nhưng nó là rất lớn so với xác suất 1 trên 100.000 khi việc này xảy ra trong điều kiện bình thường. Sẽ rất thú vị để tìm hiểu xem liệu lục lạp di truyền từ mẹ và con có thực sự trao đổi vật liệu di truyền với nhau hay không".

Phát hiện cho rằng sự di truyền của lục lạp có thể được kiểm soát bởi nhiệt độ và những thay đổi đối với các enzym riêng lẻ trong cây mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho việc nhân giống cây trồng. Ralph Bock, trưởng nhóm nghiên cứu, giải thích: "Vì trước đây người ta cho rằng ty thể và lục lạp luôn được di truyền cùng nhau và chỉ từ người mẹ, nên không có cách nào để truyền các đặc điểm được mã hóa trong vật liệu di truyền của chúng một cách riêng biệt. Khả năng truyền lục lạp cũng từ người cha chỉ bằng cách đặt thực vật vào cái lạnh có thể mở ra cánh cửa cho các chương trình nhân giống hoàn toàn mới".

Tại sao ty thể và lục lạp phần lớn được thừa hưởng từ người mẹ vẫn chưa rõ ràng. Sự thật là kiểu di truyền này có thể phản ứng linh hoạt với các điều kiện môi trường có thể sẽ khiến các nhà sinh vật học tiến hóa phải suy nghĩ lại về một số lý thuyết và mô hình hiện tại của họ. Bock cho biết: "Điều đó cũng cho thấy tầm quan trọng của việc tính đến các điều kiện môi trường trong nghiên cứu di truyền. Lục lạp khiến chúng tôi tin rằng chúng sống tiết dục trong nhiều thập kỷ, nhưng giờ chúng tôi không thể chắc chắn như vậy nữa".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.