Cây dại có thể chỉnh sửa hệ gene theo cùng cách chúng ta tạo cây biến đổi gene
Có thể vẫn còn nhiều tranh cãi về cây trồng biến đổi gene (GM) nhưng các quá trình tương tự đã xảy ra một cách tự nhiên với cây dại. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã từng đặt câu hỏi về việc các quá trình này đã diễn ra như thế nào. Nghiên cứu mới của các nhà khoa học ở Anh có thể giúp các nhà nghiên cứu giải quyết được bí ẩn này.
Con người thường sử dụng cụm từ “cây sự sống” (hoặc cây tiến hóa) như một phép ẩn dụ để miêu tả những mối liên hệ về mặt tiến hóa giữa các sinh vật. Các loài càng có mối quan hệ gần gũi thì chúng càng có xu hướng xuất hiện trên cây này.
Đây là một cách nghĩ có phần sai lầm, vì thực tế thì còn nhiều phức tạp hơn thế. Các loài thường không luôn luôn phân tách dọc theo con đường tiến hóa của mình trong việc cô lập với các nhánh khác. Trên thực tế, trong một số nhóm sinh vật, những kết nối giữa các nhánh quá phổ biến đến mức chúng ta có thể phải từ bỏ hoàn toàn khái niệm về cây sự sống. Đây là điều hoàn toàn đúng với vi khuẩn, nơi những mối liên hệ tiến hóa giống như một mạng nhện chằng chịt hơn là một cái cây tiến hóa. Sự giao tiếp chéo giữa các nhánh là do sự chuyển thông tin di truyền.
Hiện tượng chuyển gene ngang (hay còn gọi là chuyển gene bên) là quá trình mà các mảnh DNA (như các gene) chuyển giữa các sinh vật bên ngoài cha mẹ cho con cháu. Nó cho phép thông tin di truyền được chia sẻ giữa các nhánh gần của cây sự sống mà không cần đến việc sinh sản hữu tính, và đó là phản hồi với sự lan truyền nhanh các đặc tính di truyền như kháng kháng sinh giữa các vi khuẩn.
Ban đầu các nhà khoa học nghĩ là hiện tượng này chỉ xảy ra ở vi sinh vật nhưng giờ thì chúng ta biết là nó còn xảy ra trên một phạm vi rộng của thực vật, động vật và nấm, nơi sự lan truyền công thức di truyền về tính trạng có lợi thế tiến hóa.
Chuyển gene ngang trong cỏ
Cỏ là một trong những nhóm thực vật quan trọng nhất và bao gồm các cây lương thực như lúa gạo, láu mì và ngô. Chúng bao phủ khoảng 40% diện tích trên đất liền và cung cấp một lượng lớn calo cho con người.
Chuyển gene ngang giữa các loài cỏ đã đươc tìm thấy ở các loài cỏ dại cũng như các loài đã được thuần hóa và trồng trọt. Dẫu biết những hiện tượng chuyển gene ngang đó xảy ra qua những dấu vế chúng để lại trong các hệ gene của các loài (toàn bộ vật chất di truyền chứa trong một tế bào), chúng ta vẫn không biết cơ chế đằng sau nó. Bên cạnh đó chúng ta cũng không biết tần suất của nó xảy ra như thế nào. Nghiên cứu mới của chúng tôi, được xuất bản trên tạp chí New Phytologist, hướng đến giải quyết phần nào vấn đề này.
Việc hiểu từng bước của chuyển gene ngang sẽ cho phép chúng ta đánh giá được tác động của nó lên hành tinh và sự tiến hóa thực vật, cách có thể giúp chúng đáp ứng một cách nhanh chóng với thay đổi bên ngoài. Ví dụ, có thể giúp cây trồng sử dụng để phản hồi với biến đổi khí hậu chẳng hạn?
Chúng tôi đã giải trình tự nhiều hệ gene của loài cỏ nhiệt đới Alloteropsis semialata để ước tính tần suất chuyển gene vào loài này. Nghiên cứu của chúng tôi đã dò lại lịch sử tiến hóa của mỗi gene trong hệ gene đó, nhận diện được các gene có nguồn gốc bên ngoài, và chỉ ra khi nào và nơi nào chúng được chuyển vào.
Phát hiện của chúng tôi chứng tỏ các gene này đã liên tục được tiếp nhận thông qua lịch sử tiến hóa của loài này, với một gene ngoại lai được tích hợp xấp xỉ 35.000 năm.
Tuy nhiên, có một điều chưa được ước tính về mối liên hệ thực tế của gene chuyển vào loài này bởi vì nó không chứng tỏ được các gene chuyển có thể bị mất đi sau đó. Phần lớn các gene được chuyển dường như không theo đem lại lợi ích nào cho loài nhận– và có thể thậm chí còn đem lại những hệ quả xấu đối với cây trồng nếu như chúng phá vỡ những phần thiết yếu của mã di truyền loài nhận. Các gene không đem lại lợi thế nào cho loài nhận thường bị mất đi. Thật khó cho các nhà khoa học dò được những dạng gene chuyển theo cách này.
Các gene được giữ lại về cơ bản là những gene đem lại lợi thế tiến hóa cho loài nhận. Ví dụ, có nhiều gene chuyển ngang trong cỏ có thể kháng bệnh, có sức chống chịu stress và gia tăng khả năng tạo năng lượng cho cỏ. Các gene này có thể đã được tối ưu trong các hệ gene của loài cho trong khoảng hàng triệu năm. Chuyển gene ngang cho phép loài nhận có thể bỏ quá quá trình tinh chỉnh kéo dài này.
Công nghệ biến đổi gene
Cuối cùng thì việc chuyển gene ngang và cây biến đổi gene đều có cùng kết quả: một gene có nguồn gốc bên ngoài được đuqa vào hệ gene của loài nhận.
Nghiên cứu của chúng tôi đã đem đến một cái nhìn thấu suốt vào cách chuyển gene ngang xảy ra. Tuy nhiên thì chúng tôi cũng còn chưa rõ các gene đã chuyển giữa các loài mối liên hệ gần gụi như thế nào. Có nhiều lý thuyết được nêu ra để giải thích nhưng chúng tôi nghĩ là có một cơ chế gọi là ô nhiễm sinh sản (reproductive contamination) dường như phù hợp nhất. Nó phản chiếu một số phương pháp sử dụng để tạo ra cây biến đổi gene.
Có những phương pháp khác nhau mà bạn có thể sử dụng để tạo ra một cây trồng biến đổi gene – một số đòi hỏi sự can thiệp của con người và một số thì không. Các kỹ thuật đơn giản như bắt chước quá trình thụ phấn hoặc chuyển qua trung gian ống phấn hoa có đòi hỏi sự can thiệp của con người. Trong những phương pháp này, một số mảnh nhỏ DNA từ một cá thể thứ hai di chuyển xuống ống đựng phấn của cây đực đã làm ô nhiễm mầm trong hạt. Về lý thuyết thì điều này có thể xảy ra một cách tự nhiên.
Trong tương lai, chúng tôi lên kế hoạch kiểm tra ý tưởng này và xem là chúng tôi có thể tái tạo một số sự chuyển gene tự nhiên mà chúng tôi đã ghi lại không. Nếu thành công, có thể đến lúc xem xét cái nhìn của chúng ta về cây biến đổi gene. Có lẽ là chúng gần hơn với các quá trình tự nhiên hơn chúng ta nghĩ.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-10-wild-genomes-gm-cropsand-crucial.html
