Sự tiến hóa bộ gen cho thấy hai mô hình lưỡng bội hóa ở thực vật

Đa bội (polyploidy), hay còn gọi là hiện tượng nhân đôi toàn bộ bộ gen (WGD - whole-genome duplication), là một cơ chế quan trọng trong tiến hóa hệ gen trên cây phát sinh loài, đặc biệt phổ biến ở thực vật, nơi nó đóng vai trò thúc đẩy sự hình thành các đặc điểm mới.

Cây lúa dại đa bội Oryza minuta và hai tổ tiên lưỡng bội của nó. Nguồn: Wang Qian.

Mặc dù mang lại một số lợi thế nhất định, các loài thực vật đa bội mới hình thành phải đối mặt với nhiều thách thức ở nhiều cấp độ - từ phân tử, tế bào đến sinh thái học - do sự hiện diện của một bộ nhiễm sắc thể bổ sung. Do đó, nhiều loài thực vật đa bội đã trải qua quá trình lưỡng bội hóa, một quá trình giúp vượt qua những thách thức này và thúc đẩy sự đổi mới về đặc điểm phiên mã, sinh lý và hình thái.

Nhiều loài thực vật được gọi là "lưỡng bội" thực chất là "đa bội cổ" (paleopolyploids) - chúng đã trải qua nhiều vòng nhân đôi bộ gen cổ xưa, sau đó là quá trình lưỡng bội hóa. Chu trình tiến hóa này, phổ biến rộng rãi ở thực vật, được gọi là chu kỳ đa bội – lưỡng bội hóa.

Mặc dù chu kỳ này phổ biến, tuy nhiên, nhịp độ và cơ chế của quá trình lưỡng bội hóa vẫn chưa được hiểu rõ, chủ yếu vì khó phân biệt giữa những thay đổi mới phát sinh sau đa bội và các biến thể di truyền được kế thừa từ các loài tổ tiên.

Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư Ge Song thuộc Viện Thực vật học, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu, phối hợp cùng các đối tác, đã nghiên cứu quá trình lưỡng bội hóa ở loài lúa hoang tứ bội dị hợp Oryza minuta bằng phương pháp di truyền quần thể. Các phát hiện của họ cho thấy rằng nhịp độ lưỡng bội hóa trong một loài thực vật đa bội đơn lẻ có thể vừa diễn ra theo từng đợt vừa diễn ra dần dần. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra các bộ gen ở cấp độ nhiễm sắc thể cho ba loài lúa hoang. Thông qua lấy mẫu quần thể rộng rãi, họ đã phân tách thành công các biến thể di truyền được kế thừa từ những biến đổi phát sinh sau đa bội, từ đó làm sáng tỏ một bức tranh tinh vi về quá trình lưỡng bội hóa: trong khi quá trình phân mảnh gen (sự mất đi của các gen bị nhân đôi) xảy ra như một đợt bùng phát sớm, thì sự tích lũy của các yếu tố di truyền có thể chuyển vị và sự trao đổi tương đồng diễn ra từ từ theo thời gian.

Các mô hình thiên lệch biểu hiện gen tương đồng (homoeolog expression bias - ưu tiên biểu hiện một bản sao gen bị nhân đôi so với bản sao còn lại) thay đổi mạnh mẽ giữa các mô và không cho thấy xu hướng thiên lệch ổn định về phía một bộ gen con nào. Nhóm nghiên cứu cũng đánh giá vai trò của quá trình methyl hóa DNA, phân bố của yếu tố chuyển vị và di sản di truyền từ cha mẹ trong việc định hình các mô hình biểu hiện gen, qua đó làm nổi bật sự phức tạp trong điều hòa phiên mã.

Bằng cách chỉ ra rằng quá trình lưỡng bội hóa trong một loài thực vật đa bội có thể vừa diễn ra từng đợt, vừa từ từ - tùy thuộc vào loại biến đổi di truyền - nghiên cứu này nhấn mạnh rằng "lưỡng bội hóa" là một quá trình bộ gen không đồng nhất.

Những phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa hệ gen thực vật, mà còn cho thấy sức mạnh của di truyền học quần thể trong việc làm sáng tỏ các cơ chế và động lực thúc đẩy tiến hóa đa bội.

 Nguyễn Thị Kim Thoa - Hcmbiotech,Nguồn: phys.org