Thực vật ký sinh hoạt động giống như kỹ sư di truyền vì chúng lấy cắp và tái cấu trúc các gen có lợi

Ảnh: Đại học Đô thị Osaka.

Nhiều loài thực vật ký sinh trên một loài thực vật khác bằng cách bám vào cây chủ và lấy các chất dinh dưỡng để sống sót. Nhưng đôi lúc, chúng còn lấy cắp thứ khác quan trọng hơn các chất dinh dưỡng, chúng đánh cắp gen.

Một nghiên cứu mới cho thấy rằng một gen bị đánh cắp như vậy không chỉ đơn thuần được bảo tồn sau khi đi vào bộ gen của cây tơ hồng ký sinh (Cuscuta spp.). Thay vào đó, loài ký sinh này đã tái cấu trúc gen đó qua hàng triệu năm, đồng thời vẫn giữ nguyên chức năng ban đầu của nó.

Gen này được thu nhận thông qua một quá trình gọi là chuyển gen ngang (HGT). Không giống như các hình thức di truyền thông thường, trong đó các gen được truyền từ bố mẹ sang con cái, quá trình HGT cho phép vật chất di truyền di chuyển giữa các sinh vật không có quan hệ họ hàng với nhau.

Một nhóm nghiên cứu do giáo sư Koh Aoki thuộc Trường Sau đại học về Nông nghiệp, Đại học Đô thị Osaka dẫn đầu đã tìm hiểu điều gì xảy ra với các gen ngoại lai này sau khi chúng đi vào cơ thể thực vật ký sinh. Hợp tác với các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Đổi mới Toàn cầu Suntory (Suntory Global Innovation Center Ltd.), Viện Sinh học Cơ bản Quốc gia Nhật Bản và nhiều tổ chức khác, nhóm đã truy vết lịch sử tiến hóa của gen CYP81Q.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng cho thấy gen CYP81Q ban đầu thuộc về một loài thực vật có hoa khác trong bộ Lamiales, một nhóm bao gồm nhiều loài thảo mộc được sử dụng trong y học và ẩm thực, trước khi được chuyển sang dòng tiến hóa của cây tơ hồng từ rất xa xưa.

Gen này mang lại vài lợi thế cho cây tơ hồng, bởi CYP81Q tham gia vào quá trình sản xuất sesamin, một hợp chất lignan có đặc tính chống oxy hóa. Sau khi tiếp nhận gen này, cây tơ hồng đã có được khả năng tự sản xuất sesamin.

Theo thời gian, gen ngoại lai này đã bị biến đổi trong bộ gen của cây tơ hồng bởi các đoạn của những yếu tố chuyển vị, hay còn gọi là  “DNA nhảy”. Các yếu tố này đã chèn những đoạn DNA của cây tơ hồng vào gen CYP81Q.

Một trong các trình tự DNA được chèn vào đó cuối cùng đã trở thành một phần của một intron mới hình thành. Intron là một đoạn của gen được loại bỏ khỏi RNA của nó trước khi các chỉ dẫn di truyền được sử dụng để tổng hợp protein.

Mặc dù trải qua những thay đổi này, gen đó vẫn tiếp tục hoạt động. Gen CYP81Q đã được tái cấu trúc vẫn tạo ra một enzym có chức năng hoàn chỉnh, có khả năng tổng hợp sesamin.

Giáo sư Aoki tóm tắt: “Điều này cho thấy gen đã duy trì được chức năng sinh học của mình mặc dù cấu trúc của nó đã thay đổi đáng kể”.

Phát hiện này cho thấy HGT không nhất thiết là điểm kết thúc trong lịch sử tiến hóa của một gen. Thay vào đó, gen này có thể tiếp tục tiến hóa bên trong sinh vật ký sinh, dần hòa nhập về mặt cấu trúc với bộ gen mới của nó trong khi vẫn giữ được chức năng ban đầu.

Giáo sư Aoki cho biết: "Thông thường HGT được xem là một quá trình chủ yếu xảy ra ở vi khuẩn. Những phát hiện của chúng tôi cung cấp thêm bằng chứng cho thấy hiện tượng này cũng xuất hiện ở thực vật".

Đối với các loài thực vật ký sinh, quá trình này có thể đặc biệt quan trọng. Sự kết nối trực tiếp giữa chúng với các loài thực vật khác tạo ra những cơ hội bất thường để các gen xuyên qua ranh giới giữa các loài. Sau khi được chuyển giao, những gen đó có thể trở thành nguồn vật liệu cho các thay đổi tiến hóa kế tiếp.

Câu chuyện của gen CYP81Q không chỉ đơn thuần là việc cây tơ hồng "đánh cắp" một gen hữu ích, mà còn cho thấy loài thực vật này đã biến vật liệu di truyền vay mượn đó thành một phần của chính mình.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Sinh lý học Thực vật.

Trương Thị Tú Anh theo Đại học Đô thị Osaka.