Phân tách di truyền: bí quyết giúp thực vật sống sót trên đất ô nhiễm

Các enzyme tổng hợp phytochelatin (PCSs) tạo ra phytochelatin - những chuỗi peptide nhỏ giàu cysteine có khả năng liên kết và trung hòa các ion kim loại độc hại như cadmium và arsen. Những phân tử này hoạt động như hệ thống giải độc tự nhiên của thực vật, cô lập các nguyên tố gây hại vào trong không bào để ngăn ngừa tổn thương tế bào.

Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã phân tích từng gen PCS riêng lẻ ở các loài thực vật mô hình như Arabidopsis thaliana (AtPCS1, AtPCS2), nhưng bức tranh tổng thể về cách các gen PCS đa dạng hóa trong quá trình tiến hóa của thực vật vẫn chưa rõ ràng.

Việc thiếu hiểu biết về lịch sử tiến hóa này khiến các nhà khoa học khó lý giải vì sao khả năng chịu đựng kim loại độc của các loài thực vật lại khác biệt lớn đến vậy. Từ những thách thức này, các nhà nghiên cứu đã tìm cách khám phá vai trò của sự nhân đôi gen và sự phân hóa chức năng trong quá trình tiến hóa của PCS trên toàn bộ hệ gen thực vật.

Một nhóm nghiên cứu từ Quỹ Edmund Mach và Đại học Pisa đã lần theo nguồn gốc tiến hóa của cơ chế giải độc kim loại ở thực vật. Kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Horticulture Research, cho thấy một sự nhân đôi gen PCS bị bỏ qua từ lâu đã xảy ra từ rất sớm trong quá trình tiến hóa của thực vật có hoa.

Bằng cách kết hợp phân tích phát sinh chủng loài trên toàn bộ hệ gen với các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm và trên cây sống, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng sự nhân đôi này—chia thành hai dòng D1 và D2 - đã giúp thực vật tinh chỉnh hệ thống phòng vệ sinh hóa của mình trước áp lực kim loại nặng.

Nghiên cứu đã phân tích hơn 130 hệ gen thực vật hoàn chỉnh để vẽ lại hành trình tiến hóa của các gen PCS. Các nhà khoa học phát hiện ra một sự nhân đôi cổ xưa, được gọi là “nhân đôi D”, xuất hiện trong giai đoạn đa dạng hóa sớm của nhóm thực vật hai lá mầm (eudicots) và được duy trì cho đến ngày nay. Sự kiện này đã chia các gen PCS thành hai họ: D1 và D2.

Để tìm hiểu chức năng của chúng, nhóm nghiên cứu đã tách MdPCS1/MdPCS2 từ cây táo và MtPCS1/MtPCS2 từ cây cỏ linh lăng (barrel medic), sau đó đưa vào các dòng đột biến Arabidopsis thaliana thiếu hoạt động PCS tự nhiên. Các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy enzyme PCS thuộc dòng D2 hoạt động mạnh hơn đáng kể so với dòng D1, với khả năng tổng hợp phytochelatin và liên kết cadmium và arsen vượt trội.

Trên cây sống, các gen D2 giúp cây phục hồi tăng trưởng tốt hơn và có khả năng chịu đựng kim loại cao hơn, trong khi các gen D1 duy trì cân bằng thiol tổng thể và khả năng giải độc ở mức trung bình. Phân tích trình tự gen đã xác định được hai vị trí axit amin quan trọng có thể là nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt chức năng này.

Kết quả cho thấy cả hai loại gen đều được duy trì vì vai trò bổ sung lẫn nhau giúp đảm bảo quá trình giải độc hiệu quả—một ví dụ điển hình về sự tinh chỉnh tiến hóa vẫn đang bảo vệ cây trồng hiện đại.

“Phát hiện của chúng tôi cho thấy tiến hóa đã hoàn thiện một cơ chế sống còn quan trọng”, tiến sỹ Claudio Varotto, tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.

“Hai bản sao gen PCS đã cùng tồn tại hơn một trăm triệu năm vì chúng bổ sung cho nhau - D1 mang lại sự ổn định, còn D2 cung cấp sức mạnh. Hệ thống kép này giúp thực vật linh hoạt thích nghi với nhiều thách thức kim loại khác nhau. Đây là minh chứng hoàn hảo cho việc đổi mới di truyền cổ xưa vẫn đang định hình khả năng chống chịu của thực vật ngày nay”.

Phát hiện này không chỉ làm sâu sắc thêm hiểu biết về tiến hóa thực vật mà còn mở ra những hướng đi mới cho nông nghiệp bền vững. Bằng cách điều chỉnh biểu hiện gen PCS hoặc chuyển hoạt tính PCS dòng D2 sang các giống cây nhạy cảm, các nhà chọn giống có thể tạo ra giống cây phát triển tốt trên đất ô nhiễm mà vẫn giảm tích lũy kim loại nặng trong phần ăn được.

Những hiểu biết di truyền này cũng có thể nâng cao hiệu quả của các chiến lược phytoremediation - sử dụng thực vật để làm sạch môi trường bị ô nhiễm.

Trong bối cảnh ô nhiễm đất ngày càng gia tăng, việc hiểu cách thực vật tiến hóa để chịu đựng kim loại độc hại mang lại cả cảm hứng khoa học lẫn công cụ thực tiễn cho một tương lai nông nghiệp an toàn hơn.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org