Nghiên cứu toàn diện nhất về phả hệ cây họ đậu, họ thực vật bao gồm đậu, đậu tương, lạc và nhiều cây trồng quan trọng về kinh tế khác, cho thấy lịch sử của sự sao chép toàn bộ của bộ gen. Nghiên cứu cũng giúp khám phá sự tiến hóa của các gen liên quan đến quá trình cố định nitơ - một đặc điểm chính có thể quan trọng trong quá trình phát tán và đa dạng hóa các loại cây họ đậu và rất cần thiết để sử dụng chúng làm “phân xanh” trong nông nghiệp.

Để tái tạo lại cây họ, các nhà nghiên cứu đã so sánh trình tự DNA của hơn 1500 gen từ 463 loài cây họ đậu khác nhau, bao gồm 391 loài mới được giải trình tự, tạo nên sự đa dạng của họ thực vật lớn này.

Một bài báo mô tả nghiên cứu, do giáo sư Sinh học Hong Ma của Penn State dẫn đầu, xuất hiện trên tạp chí Molecular Plant tháng 5 năm 2021.

Ma, giáo sư nghiên cứu phân tử thực vật tại bang Penn, cho biết: “Các loại đậu tạo nên họ thực vật có hoa, lớn thứ ba và vô cùng đa dạng – sắp xếp từ các loại thảo mộc nhỏ bé đến cây to lớn khổng lồ. Chúng là cây lương thực thiết yếu cho cả người và gia súc, có thể được sử dụng làm gỗ xẻ và nhiều công dụng khác. Có thể quan trọng nhất, chúng có thể ‘cố định’ nitơ - chiết xuất chất dinh dưỡng quan trọng từ khí quyển và lưu trữ nó trong các nốt sần trên rễ của chúng trong mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn đất - làm cho chúng quan trọng như phân xanh để cải thiện sức khỏe của đất”.

Hình ảnh minh họa một cây đại diện cho cây họ đậu với các nhánh đại diện cho sáu họ phụ. Trên mỗi cành là hoa hoặc quả của các loài thuộc họ phụ. Các đường kéo dài từ túi dinh dưỡng ở góc trên bên trái cho biết vị trí của một số lần nhân đôi toàn bộ của bộ gen được đưa ra. (Ảnh: YIYONG ZHAO, CHIEN-HSUN HUANG và HONG MA).

Có hơn 19.000 loài trong họ đậu được chia thành sáu họ phụ và sau đó được chia thành các nhóm rất nhỏ hơn và nhỏ hơn dựa trên mối quan hệ tiến hóa của chúng. Có 765 chi - nhóm cấp trên các loài - trong đó nhóm nghiên cứu đã lấy 333 mẫu các thành viên. Để xây dựng cây phả hệ, nhóm nghiên cứu đã phân tích trình tự gen từ các phiên mã (transcriptomes) - phần của bộ gen được biểu hiện dưới dạng gen - của hầu hết 463 loài và một số lượng nhỏ toàn bộ bộ gen được sắp xếp theo trình tự chưa sâu từ nhiều loại cây họ đậu.

Ma cho biết: “Đây là nghiên cứu lớn nhất về loại này đối với một họ thực vật. Chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để lấy mẫu nhiều loài nhất có thể để có được một đại diện rộng rãi của họ đậu, nhưng thường rất khó để có được những mẫu vật có thể bảo quản tốt để chúng tôi có thể chiết xuất DNA hoặc RNA, đặc biệt là đối với những loài được tìm thấy ở vùng sâu vùng xa. Việc có được sự đại diện rộng rãi của các loài đã cho phép chúng tôi xây dựng cây phả hệ trung tâm chi tiết nhất cho cây họ đậu cho đến nay”.

Ngoài việc giúp các nhà nghiên cứu hiểu được sự tiến hóa và đa dạng hóa của các loại cây phả hệ họ đậu, cây phả hệ họ đậu mới còn giúp làm rõ mối quan hệ giữa cây trồng và họ hàng hoang dã của chúng. Mặc dù họ hàng gần của các loại cây nông nghiệp quan trọng thường được biết đến, nhưng việc nghiên cứu các họ hàng xa hơn hoang dã hơn có thể cho thấy những đặc điểm có thể được khai thác để giúp cây phát triển mạnh trong môi trường thay đổi và chống lại bệnh tật hoặc côn trùng gây hại.

Trên toàn cây phả hệ họ đậu, nhóm nghiên cứu đã xác định được bằng chứng mạnh mẽ cho 28 sự kiện nhân đôi toàn bộ bộ gen riêng biệt. Nhân đôi toàn bộ bộ gen, các sự kiện tiến hóa dẫn đến sao chép hoàn toàn toàn bộ bộ gen, khá phổ biến ở các loài thực vật có hoa và được cho là cho phép đổi mới chức năng và đa dạng hóa tiến hóa. Một trong những sự kiện trùng lặp mà nhóm nghiên cứu xác định dường như đã xảy ra ở tổ tiên của tất cả các thành viên của họ đậu.

Ma cho biết: “Bởi vì đối với hầu hết các loài trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã sử dụng phiên mã (transcriptomes) và không có toàn bộ trình tự bộ gen, chúng tôi xem đây là những sự kiện sao chép bộ gen “được đề xuất”. Những loại nghiên cứu này giống như giải quyết một bí ẩn. Nếu bạn chỉ có một hoặc một vài nhân chứng thì có thể khó thuyết phục bồi thẩm đoàn về bằng chứng của bạn, nhưng nếu bạn có hàng trăm nhân chứng có quan điểm khác nhau và tất cả đều chỉ ra cùng một điều thì rất khó để bác bỏ bằng chứng đó. Trong trường hợp của chúng tôi, các loài khác nhau giống như nhân chứng của chúng ta. Quy mô nghiên cứu của chúng tôi cho phép chúng tôi xác định các sự kiện mà chúng tôi có thể đã loại bỏ".

Hai họ phụ lớn nhất chiếm hơn 17.000 loài cây họ đậu và bao gồm tất cả các loài có khả năng cố định nitơ. Nitơ là một chất dinh dưỡng thực vật quan trọng - hầu hết các loại phân bón thương mại đều chứa hỗn hợp nitơ, phốt pho và kali - vì vậy mối quan hệ cộng sinh giữa một số cây họ đậu và vi sinh vật cho phép chúng cố định nitơ từ khí quyển bằng cách sử dụng các nốt sần ở rễ đã thúc đẩy sự thành công của chúng tại những vùng đất kém màu mỡ. Nhóm nghiên cứu cũng xác định được manh mối về sự tiến hóa của các gen chịu trách nhiệm cho đặc điểm quan trọng này.

 “Dữ liệu của chúng tôi ủng hộ ý tưởng rằng sự tạo nốt sần và sự cố định nitơ bắt nguồn từ một thời kỳ đầu trong lịch sử của cây họ đậu và các cây cố định nitơ có liên quan khác và sự kiện sao chép toàn bộ bộ gen ở nguồn gốc của cây họ đậu có thể rất quan trọng đối với sự phát triển của quá trình này”, Ma cho biết. “Ngoài sự kiện nhân bản này, chúng tôi cũng có thể thấy hiện tượng mất gen ở thực vật không có khả năng tạo nốt sần và những thay đổi tiến hóa trong các gen góp phần vào vai trò của chúng trong quá trình tạo nốt sần”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Penn State.