Đo thời gian tiến hóa của thực vật bằng đồng hồ biểu sinh
Những khám phá gần đây trong lĩnh vực biểu sinh, lĩnh vực nghiên cứu các đặc điểm kế thừa mà không làm thay đổi trình tự DNA, đã chỉ ra rằng tuổi đời ở động vật có vú tương quan với những thay đổi biểu sinh tích lũy trong suốt cuộc đời của cá thể.
Ở người, những quan sát này đã dẫn đến sự phát triển của khái niệm “đồng hồ biểu sinh” được dùng rộng rãi như một dạng dấu ấn sinh học của quá trình lão hóa. Mặc dù những chiếc đồng hồ này hoạt động chính xác từ khi sinh ra cho đến khi chết đi nhưng cứ mỗi thế hệ mới thì chúng lại bắt đầu lại từ con số 0.
Tuy nhiên, một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Đại học Georgia (Mỹ), Trung tâm nghiên cứu đại dương GEOMAR Helmholtz Kiel (Đức) và Đại học kỹ thuật Munich (Đức) dẫn dắt đã khám phá ra rằng những chiếc đồng hồ biểu sinh không chỉ tồn tại ở thực vật mà còn có thể tiếp tục chạy chính xác qua nhiều thế hệ.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science mô tả cách “đồng hồ” biểu sinh này có thể cung cấp thông tin thời gian từ hàng thập kỷ đến hàng thế kỷ. Khung thời gian này cao hơn hẳn những chiếc “đồng hồ” dựa trên đột biến DNA truyền thống.
Frank Johannes, giáo sư biểu sinh thực vật tại Đại học Kỹ thuật Munich và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Gợi ý đầu tiên để chúng tôi biết rằng đồng hồ biểu sinh có tồn tại ở thực vật là khi xem xét sự khác biệt trong quá trình methyl hóa DNA ở các nhánh của một cây bạch dương 300 tuổi. Methyl hóa DNA là một dạng biến đổi hóa học trên trình tự gene, xuất hiện trong nhiều quá trình biểu sinh. Chúng tôi đã kết hợp dữ liệu methyl hóa DNA với dữ liệu đường kính nhánh và dữ liệu khoan lõi đếm số vòng cây, một cách thường dùng để xem xét tuổi của thân cây. Có một nhánh mà chúng tôi không thể khoan lõi, nhưng lại có thể ước tính chính xác tuổi có nó chỉ bằng cách sử dụng dữ liệu methyl hóa DNA. Điều này chính là manh mối đầu tiên khiến chúng tôi nghĩ rằng đồng hồ biểu sinh có tồn tại ở thực vật”.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của nhóm cho thấy đồng hồ biểu sinh có thể tóm tắt được thời gian phân kỳ khi phát sinh chủng mới nội loài của loài tự thụ phấn (như cải A. thaliana) và loài vô tính (như cỏ biển Z. marina), hai phương thức sinh sản chính của thực vật.
“Chúng tôi tiếp tục tìm hiểu sự tồn tại của đồng hồ biểu sinh trong thực vật bằng cách sử dụng nhiều quần thể tiến hóa thực nghiệm của loài cải A. thaliana đã biết phả hệ”, GS. Robert Schmitz tại khoa di truyền học của Đại học Georgia và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết. Những cây cải này được trồng bằng phương pháp đơn hạt (single-seed descent) lặp lại đến 32 thế hệ. Chúng có nguồn gốc từ giống cải hoang đã tiếp xúc với các môi trường khác nhau hoặc từ các giống tự nhiên có gốc gác địa lý riêng.
Thông qua việc sử dụng dữ liệu methyl DNA từ hàng trăm cá thể từ khắp các quần thể, các nhà khoa học đã xác định được một tập hợp con các đột biến “đều đặn như đồng hồ” và ước lượng chính xác thời gian của phả hệ.
Họ thấy đồng hồ biểu sinh xác định niên đại của một quần thể cải A. thaliana mới phân hóa gần đây ở Bắc Mỹ (khoảng 140 năm) chính xác hơn so với đồng hồ phân tử sử dụng đột biến DNA của cùng một cá thể.
“Đồng hồ biểu sinh mới này sẽ cho phép chúng tôi giải quyết một câu đố lịch sử là các dòng dương xỉ, sậy hoặc cỏ biển khổng lồ thực sự bao nhiêu tuổi”, GS. Thorsten Reusch, Trưởng phòng Sinh thái tiến hóa biển tại Trung tâm Nghiên cứu đại dương GEOMAR Helmholtz nhận xét. Điều này sẽ hữu ích cho việc tìm hiểu hệ sinh thái và sự tiến hóa của các loài. □
Trang Linh dịch
Nguồn: https://franklin.uga.edu/news/stories/2023/timing-plant-evolution-fast-ticking-epigenetic-clock
