Sinh sản không theo sự tái tổ hợp di truyền - một loài thực vật phá vỡ quy luật di truyền

Sự kết hợp độc đáo giữa cấu trúc nhiễm sắc thể và sự di truyền chọn lọc cho phép một loài cói Brazil duy trì bản sắc di truyền của nó qua nhiều thế hệ.

Sinh sản hữu tính thường làm xáo trộn thông tin di truyền, tạo ra con cái khác biệt với bố mẹ. Nhưng một loài thực vật nhỏ lại đi theo một con đường bất ngờ. Trong một nghiên cứu mới, vừa được công bố trên tạp chí Nature, một nhóm nghiên cứu quốc tế do André Marques dẫn đầu tại Viện Nghiên cứu Giống cây trồng Max Planck ở Cologne đã chỉ ra rằng loài cói mỏ Brazil Rhynchospora tenuis sinh sản hữu tính - tạo ra phấn hoa, thụ tinh cho tế bào giao tử cái và tạo hạt - nhưng đã hoàn toàn mất đi sự xáo trộn DNA giữa các nhiễm sắc thể từ mỗi bố mẹ. Con cái giữ nguyên cấu trúc di truyền như mẹ của chúng, về cơ bản bắt chước sinh sản vô tính.

Ảnh chụp cây cói mỏ Rhynchospora tenuis của Brazil.  © Maciej Majka.

Hầu hết các sinh vật sinh sản hữu tính đều dựa vào giảm phân, một hình thức phân chia tế bào chuyên biệt tạo ra các tế bào sinh sản, trong đó các nhiễm sắc thể tương đồng được thừa hưởng từ mỗi bố mẹ trao đổi các đoạn DNA. Sự trao đổi chéo này tạo ra sự đa dạng di truyền và đảm bảo sự phân ly nhiễm sắc thể chính xác; nếu không có chúng, khả năng sinh sản có thể bị ảnh hưởng.

Các nghiên cứu tế bào học trước đây cho thấy quá trình giảm phân ở con đực của R. tenuis diễn ra mà không có sự trao đổi chéo. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu sự tái tổ hợp gen - thường tạo ra các tổ hợp gen mới của bố mẹ ở con cái - có vắng mặt ở cả hai giới hay không và nếu có, làm thế nào cây vẫn đảm bảo sự phân ly nhiễm sắc thể đúng cách và duy trì khả năng sinh sản.

Loài Rhynchospora tenuis dường như đã khắc phục được vấn đề này. Trong số các loài thực vật có hoa, R. tenuis có số lượng nhiễm sắc thể thấp nhất được biết đến. Các nhiễm sắc thể của nó cũng có cấu trúc bất thường – hoạt động của tâm động trải rộng khắp chiều dài nhiễm sắc thể, được gọi là nhiễm sắc thể toàn tâm (holocentric chromosomes). Ngoài ra, cây thực hiện quá trình giảm phân theo trình tự ngược, một con đường phân chia tế bào thay thế, tách các bản sao nhiễm sắc thể đã nhân đôi trước khi tách các cặp nhiễm sắc thể tương ứng của chúng.

Nhìn chung, những đặc điểm cấu trúc bộ gen bất thường này có thể cho phép quá trình sinh sản tiếp tục diễn ra ngay cả khi không có sự trao đổi chéo.

Nghiên cứu về bí ẩn sinh sản

Các nhà nghiên cứu đã kết hợp việc lắp ráp bộ gen chi tiết từ chín cây được thu thập ở Brazil với hình ảnh nhiễm sắc thể, giải trình tự các nhân phấn hoa riêng lẻ và các thí nghiệm lai tạo có kiểm soát. Trên hơn 10.000 nhân phấn hoa, nhóm nghiên cứu không phát hiện thấy sự trao đổi chéo nào và cũng không thu được bằng chứng về sự trao đổi nhiễm sắc thể thông qua con đường sinh sản của cây cái.

Bằng cách sử dụng các phương pháp độc lập về phân tích tế bào học, hệ gen, tế bào đơn và phát triển, các phát hiện cung cấp bằng chứng về sự vắng mặt hoàn toàn của hiện tượng trao đổi chéo trong quá trình giảm phân ở cả con đực và con cái, một sự kết hợp được ghi nhận lần đầu tiên ở một loài sinh sản hữu tính.

Một lộ trình chọn lọc dẫn đến thế hệ tiếp theo

Điều đáng chú ý là nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng sự thừa kế có tính thiên vị rất cao.

Một số nhiễm sắc thể đã phát triển lớn hơn do sự tích lũy các yếu tố chuyển vị, những đoạn DNA có khả năng tự sao chép và chèn vào vị trí khác trong bộ gen, được gọi là "gen nhảy". Những nhiễm sắc thể lớn hơn này được ưu tiên truyền lại thông qua cả tế bào phấn hoa và tế bào trứng. Trong khi đó, sự trao đổi các đoạn cuối của nhiễm sắc thể đã tạo ra những khác biệt về cấu trúc, hạn chế những tổ hợp nào có thể đóng góp thành công cho thế hệ tiếp theo.

Các phân tích sâu hơn cho thấy quá trình chọn lọc mạnh mẽ diễn ra sau khi thụ tinh: khoảng 87% hạt bị thoái hóa, và chỉ những con non tái tạo được tổ hợp nhiễm sắc thể dị hợp tử của bố mẹ - giữ lại hai phiên bản khác nhau của bộ gen - mới sống sót, dẫn đến kết quả giống như bản sao. Bởi vì một số phiên bản nhiễm sắc thể nhất định được ưu tiên một cách có hệ thống trong quá trình hình thành tế bào sinh dục, và chỉ những hạt mang tổ hợp nhiễm sắc thể phù hợp mới sống sót, nên mọi con non sống sót đều có cấu trúc di truyền giống hệt mẹ: sinh sản hữu tính tạo ra bản sao.

Phát hiện này mở rộng hiểu biết của chúng ta về tính linh hoạt trong sinh sản của thực vật và định hình lại ranh giới trong sách giáo khoa giữa sinh sản hữu tính và sinh sản vô tính.

Ngoài vấn đề tiến hóa, kiểm soát sự tái tổ hợp là mục tiêu lâu dài trong chọn giống cây trồng: Cố định kiểu gen lai hiệu suất cao để nó được truyền lại nguyên vẹn qua hạt giống chính là điều mà R. tenuis đạt được một cách tự nhiên và việc hiểu cách thức hoạt động của nó có thể cung cấp thông tin hữu ích cho các chiến lược chọn giống trong tương lai.

André Marques

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện MAX PLANCK.