Nghiên cứu làm sáng tỏ sự tiến hóa bí ẩn của côn trùng đực không cha

Ví dụ về những con muỗi mắt (trái và giữa) và bọ đuôi bật (phải) sử dụng trong nghiên cứu này. Nguồn: San Francisco State University.

Không thường xuyên mà bạn thấy các hệ thống di truyền được mô tả là "kỳ lạ" trong tiêu đề của một bài báo nghiên cứu khoa học. Đó là trừ khi nó đến từ phòng thí nghiệm của Phó Giáo sư Sinh học Scott Roy, Đại học Bang San Francisco, người có thiên hướng đặc biệt về kiểu di truyền kỳ lạ.

Trong bài báo mới nhất của ông trên tạp chí PNAS, Roy và các cộng sự đã cung cấp bằng chứng thực nghiệm đầu tiên ủng hộ cho giả thuyết về sự tiến hóa của thể đơn bội, hệ thống xác định giới tính bất thường được tìm thấy ở các loài như ong, kiến và ong bắp cày. Như ta đã biết, hệ thống xác định giới tính quen thuộc nhất là hệ thống XX/XY, trong đó con cái có xu hướng có một cặp nhiễm sắc thể giới tính X và con đực có X và Y. Ở nhiều loài (như con người), tinh trùng và trứng - tế bào đơn bội mỗi cá thể chứa một bản sao duy nhất của vật liệu di truyền bao gồm một nhiễm sắc thể giới tính duy nhất - kết hợp với nhau để tạo ra một cá thể lưỡng bội có hai bản sao của vật liệu di truyền. Tuy nhiên, trong thể đơn bội, con cái tuân theo hệ thống trứng-tinh trùng trong khi con đực chỉ phát sinh từ một quả trứng. Điều này có nghĩa là con đực chỉ có một nửa thông tin di truyền của con cái (tất cả từ mẹ của chúng).

“Có một loại câu đố cơ bản trong sinh học, đó là làm thế nào có những thứ kỳ lạ?”, Roy nói. “Điều kỳ lạ tiến hóa tất cả ở trong một bước hoặc nó phải xảy ra bởi một loạt các bước và mỗi bước đều được sự tiến hóa chấp nhận”.

Roy nói, vấn đề là thật khó để giải thích sự chuyển đổi tiến hóa từ hệ thống xác định giới tính quen thuộc sang thể đơn bội. Vì con đực đơn bội có ít vật chất di truyền hơn và không có gen từ cha (làm giảm sự đa dạng di truyền) và chúng có cơ hội sống sót thấp hơn. Vậy thì các loài này đã duy trì con đực đơn bội như thế nào?

Mấu chốt có thể là do xung đột nội bộ (tức là xung đột giữa các gen khác nhau trong một cá thể) làm mất sự ổn định các hệ thống di truyền và thúc đẩy nguồn gốc của các hệ thống mới (như thể đơn bội). Theo giả thuyết này, các gen liên kết với nhiễm sắc thể X của bố có thể thiên hướng sản xuất tinh trùng theo hướng tạo ra nhiều tinh trùng chứa X, dẫn đến nhiều con cái (XX) hơn con đực. Nếu vậy, điều này có thể thúc đẩy việc sản sinh ra những con đực đơn bội để cân bằng lại tỷ lệ đực và cái. Các nhà nghiên cứu nghi ngờ điều này sẽ xảy ra khi có nhiễm sắc thể X lớn hơn.

Roy nói: “Ý tưởng xung đột giữa các gen trong một sinh vật có thể thúc đẩy sự tiến hóa đã xuất hiện từ lâu. Nhưng cho đến nay, có rất ít hoặc không có thử nghiệm thực nghiệm nào về nó”. Bởi vì đó là một giả thuyết khó có thể kiểm tra ở các loài đã biết phân biệt với các giải thích khả thi khác. Nhưng điều đó không ngăn cản ông và nhóm cộng sự thực hành nghiên cứu này.

Họ sắp xếp trình tự toàn bộ bộ gen của loài ruồi ăn nấm, muỗi mắt và bọ đuôi bật để giải quyết một số thử thách thử nghiệm của họ. Những loài này về cơ bản là đơn bội nhưng sẽ cho phép các nhà nghiên cứu tách giả thuyết xung đột khỏi các giả thuyết được đề xuất khác.

Phân tích cho thấy những loài này thực sự có nhiễm sắc thể X rất lớn so với các loài lưỡng bội có liên quan. Các nhiễm sắc thể X lớn của chúng chiếm từ 16% đến 66% bộ gen của một loài.

Tác giả đầu tiên Noelle Anderson, Đại học California, Merced Ph.D, cho biết: “Thông thường, 1-5% bộ gen là nhiễm sắc thể X, nhưng trong những hệ thống này, gần như chiếm một nửa bộ gen. Đó là một sự khác biệt rất lớn và rõ ràng”. Điều thú vị là dữ liệu rõ ràng như thế nào, Roy giải thích. Ông nói thêm: “Chúng ta đang nói về hơn hàng chục triệu năm tiến hóa ở đây, có thể là hàng trăm triệu năm”.

Theo Roy, bằng chứng này ủng hộ ý kiến cho rằng xung đột nội bộ có thể thúc đẩy sự tiến hóa của các hệ thống sinh học mới.

Đinh Thị Lam theo Phys.org