Các loài thực vật chuyên chịu lạnh như cây thìa canh (spoonworts) đã thích nghi tốt với khí hậu lạnh của Kỷ Băng hà. Khi thời kỳ lạnh và ấm xen kẽ, chúng đã phát triển một số loài cũng dẫn đến sự phát triển mạnh của bộ gen. Các nhà sinh học tiến hóa từ các trường đại học Heidelberg, Nottingham và Prague đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự nhân đôi bộ gen này đối với tiềm năng thích nghi của thực vật. Kết quả cho thấy các thể đa bội - các loài có nhiều hơn hai bộ nhiễm sắc thể - có thể tích lũy các đột biến cấu trúc với các tín hiệu cho khả năng thích nghi cục bộ, cho phép chúng chiếm giữ các hốc sinh thái nhiều lần.

Cây thìa ở một suối karst ở dãy núi đá vôi Lower Austrian Limestone.

 Nguồn: Marcus A. Koth.

Chi thìa của họ Brassicaceae tách khỏi họ hàng Địa Trung Hải của nó hơn mười triệu năm trước. Trong khi hậu duệ trực tiếp của chúng chuyên biệt để ứng phó với ức chế hạn hán, thìa, hay Cochlearia Latin, đã chinh phục môi trường sống lạnh giá và Bắc Cực vào đầu Kỷ Băng hà cách đây 2,5 triệu năm. Trong các nghiên cứu trước đó của mình, các nhà nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của giáo sư tiến sỹ Marcus Koch đã khảo sát cách Cochlearia có thể thích nghi nhiều lần với các thời kỳ lạnh và ấm thay đổi nhanh chóng trong hai triệu năm qua. Trong số những thứ khác, các loài thực vật thích nghi với lạnh mới được tạo ra đã phát triển các nhóm gen riêng biệt tiếp xúc với nhau ở các vùng lạnh. Sự trao đổi gen đã tạo ra các quần thể có nhiều bộ nhiễm sắc thể. Với kích thước bộ gen của chúng liên tục giảm, sau đó chúng có thể chiếm giữ các hốc sinh thái lạnh nhiều lần.

Tuy nhiên, Marcus Koch giải thích, cho đến nay người ta chỉ biết rất ít về cơ chế bộ gen và tiềm năng giúp thực vật thích nghi với những thay đổi nhanh chóng của môi trường. “Điều này thậm chí còn phi thường hơn vì phần lớn các loại cây trồng quan trọng nhất của chúng ta là đa bội và do đó có nhiều bộ nhiễm sắc thể. Thực tế này chính là kết quả của quá trình chọn lọc mạnh mẽ trong quá trình canh tác và  chọn lọc”, Giáo sư Koch, người có nhóm nghiên cứu “Đa dạng sinh học và hệ thống thực vật” đặt tại Trung tâm nghiên cứu sinh vật của Đại học Heidelberg, tuyên bố.

Trong nghiên cứu hiện tại dưới sự chỉ đạo của giáo sư tiến sỹ Levi Yant, một bộ gen tham chiếu lưỡng bội với hai bộ nhiễm sắc thể của một loài thìa Alpine, Cochlearia excelsa, đã được giải trình tự và một bộ gen toàn bộ được tái tạo lại. Nó kết hợp các trình tự bộ gen khác nhau và do đó cho thấy các biến thể di truyền giữa các cá thể và các loài khác. Để đạt được mục đích này, hơn 350 bộ gen của nhiều loài Cochlearia với số lượng bộ nhiễm sắc thể khác nhau đã được phân tích. Giáo sư Yant, một nhà nghiên cứu về bộ gen tiến hóa tại Đại học Nottingham (Anh), giải thích rằng: "Điều đáng ngạc nhiên là kết quả cho thấy các thể đa bội thực sự biểu hiện các biến thể cấu trúc bộ gen với các tín hiệu cho khả năng thích nghi cục bộ thường xuyên hơn các loài lưỡng bội".

Cây thìa ở dãy núi Pyrenees của Tây Ban Nha ở độ cao khoảng 2.000 mét.

Nguồn: Marcus A. Kocc.

Những đột biến cấu trúc này được che giấu bởi các bản sao bộ gen bổ sung và do đó được bảo vệ khỏi quá trình chọn lọc ở một mức độ nhất định, vì sự tích tụ của các biến thể cấu trúc cũng có thể dẫn đến mất chức năng. Với các mô hình của mình, nhóm nghiên cứu quốc tế đã có thể chứng minh thêm rằng các biến thể cấu trúc đặc hiệu đa bội cũng xuất hiện trong chính các vùng gen có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình thích nghi với khí hậu trong tương lai. Một phân tích chi tiết về dữ liệu bộ gen cho thấy điều này chủ yếu liên quan đến các quá trình sinh học của quá trình nảy mầm hạt giống hoặc khả năng kháng bệnh thực vật, theo tiến sỹ Filip Kolář, người tiến hành nghiên cứu tại Đại học Charles ở Prague và Viện Hàn lâm Khoa học Séc.

Tuy nhiên, có lẽ rất khó có khả năng loài Cochlearia được tìm thấy ở Trung Âu ngày nay sẽ sống sót sau biến đổi khí hậu, như giáo sư Koch nhấn mạnh. “Đặc biệt, loài lưỡng bội Cochlearia excelsa không thể di cư xa hơn ở các vùng cao hơn và lạnh hơn ở vùng núi nước Áo, vì loài thìa này đã đạt đến các vùng đỉnh ở một mức độ nào đó. Loài thìa Pyrenees từ vùng đồi núi Trung Âu cũng sẽ gặp khó khăn”. Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng toàn bộ nhóm gen, đặc biệt là ở các loài chuyên chịu lạnh đa bội, có thể sống sót, đặc biệt là ở các vùng phía bắc của Trái đất. Do đó, lịch sử tiến hóa của các loài thực vật họ cải này cung cấp thông tin chi tiết về cách thực vật có thể đối phó với biến đổi khí hậu trong tương lai.

Các phát hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo đại học Heidelberg.