Hoa mặt khỉ: mở cánh cửa mới trong nghiên cứu tiến hóa thực vật

Dù chỉ là một loài cây dại nhưng hoa mặt khỉ đã trở thành tâm điểm chú ý của giới nghiên cứu thực vật học. Loài cây này có nhiều loại hoa đa dạng, màu sặc sỡ và sinh sôi được trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau nhưng lại có bộ gene rất đơn giản, cho phép các nhà khoa học có thể giải trình tự gene để mở ra một cánh cửa mới trong nghiên cứu tiến hóa thực vật.

Yaowu Yuan bắt đầu say mê nghiên cứu hoa mặt khỉ vào năm 2014. Khi đó Yuan đang là một nhà phân loại học tại Đại học Washington ở Seattle và cũng là một người yêu thích đi bộ đường dài, anh đã rất ngạc nhiên khi thấy sự đa dạng của các loài hoa dại mà anh bắt gặp trong những chuyến đi chơi của mình ở vùng núi Cascade. Giống như Charles Darwin, anh rất bực bội bởi một câu hỏi mà Darwin gọi là “bí ẩn ghê gớm”: Làm thế nào mà thiên nhiên có thể tạo ra sự đa dạng về màu sắc và hình thức hoa như vậy? 

Trong một cuộc hội thảo, Yuan đã được biết về một loài hoa mà anh nghĩ có thể mang lại câu trả lời. Nhà sinh vật học phân tử thực vật của Đại học Washington H. D., Toby Bradshaw và sinh viên tốt nghiệp của ông đã trình chiếu tài liệu về kết quả của việc thay đổi bộ gene của loài hoa mặt khỉ, loài hoa thuộc họ Mimulus và tạo ra một sư đa dạng tương dương với tất cả các loài hoa dại mà Yuan đã thấy trên đồng cỏ và ven sông ở Cascades.

Phát hiện này đã thay đổi định hướng nghiên cứu của Yuan vì anh nhận ra sự đột biến ở hoa mặt khỉ có thể giúp hiểu biết tốt hơn về quá trình phát triển hoa ở tất cả các loài thực vật. Vậy là từ khi bắt đầu công việc giảng dạy tại Đại học Connecticut (UConn) ở Storrs sáu năm về trước, anh đã bắt đầu theo dõi các gene kiểm soát màu sắc, hình dạng, kích thước và các đặc điểm khác ở loài hoa Mimulus, và rất có thể chúng cũng có tác dụng tương tự ở các loài cây khác. Yuan không phải là nhà khoa học duy nhất có niềm đam mê mãnh liệt đến vậy đối với loài hoa thường chỉ được biết đến như là một loài cỏ có thể sinh sôi được ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt tới mức các loài khác không thể mọc được, như mỏ đồng bị bỏ hoang, suối nước nóng hay đất khoáng sản khô cằn. 

Giống như cây cỏ dại Arabidopsis thaliana (một loại cây hoa nhỏ, họ cải có nguồn gốc châu Phi) – một loại cây rất hay được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm truyền thống, hoa mặt khỉ mọc nhanh, cho nhiều hạt và có một bộ gene đơn giản. Đó là những đặc điểm hấp dẫn cho các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Nhưng sự bùng nổ màu sắc và hình thức hoa,  hình thức tồn tại đa dạng và sức chịu đựng phi thường lại tương phản mạnh mẽ với cây Arabidopsis. Chính những đặc điểm đó đã quyến rũ các nhà nghiên cứu tiến hóa và thích nghi thực vật. Hơn 40 phòng thí nghiệm hiện nay tập trung vào việc chọn lọc các thành phần của họ hoa Mimulus –số lượng đã tăng gấp đôi so với thập kỷ qua. Quỹ khoa học Quốc gia Mỹ (NSF) đã tài trợ các dự án liên quan đến tiến hóa của riêng loài Mimulus và gần đây đã chi 1 triệu USD để phát triển các kỹ thuật nhằm thay đổi các đặc điểm của loài hoa này. 

Cuộc hội thảo thảo luận về hoa mặt khỉ ở Providence vào tháng Sáu vừa qua đã thu hút khoảng 70 nhà sinh học, nhiều hơn gấp ba lần số người tham dự lần đầu tiên 13 năm trước. Số lượng bài báo về Mimulus vẫn chưa quá lớn – khoảng 425 bài – nhưng con số này đã tăng lên nhanh trong thập kỉ qua. Niềm đam mê của các nhà nghiên cứu chính là thước đo rõ ràng nhất về sức hấp dẫn mà loài hoa này tạo ra cho giới khoa học. 

Loài hoa này được tìm thấy ở khắp nơi trên thế giới, thường ở những địa điểm khắc nghiệt nhất như những hòn đảo trần trụi với đá serpentine nằm rải rác trong những cánh rừng ở vùng núi Sierra Nevada, California. Các nhà sinh thái học về thực vật đã tiến hành nghiên cứu Mimulus hoang dã trên thực địa trong suốt 80 năm qua. Năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận quần thể Mimulus guttatus gồm các loài hoa đơn lẻ, có đặc điểm khác nhau về thời gian ra hoa, kích thước hoa và cả số lượng hạt  trên các bông hoa. Có cây ra hoa nhiều hơn trong những năm ẩm ướt, lại có những cây ra hoa tốt hơn trong những năm hạn hán đến sớm. Hai biến thể này cùng tồn tại trong một quần thể.

Đã có hơn 40 phòng thí nghiệm nghiên cứu về các nhánh khác nhau của loài hoa mặt khỉ. 

Thích ứng linh hoạt

Một công trình được đăng tải vào năm ngoái trên tạp chí Science (ngày 3/8/2018, trang 475), đã cung cấp bằng chứng được tìm kiếm từ lâu về một hiện tượng tiến hóa được gọi là “lựa chọn dao động” (fluctuating selection), trong đó quá trình thay đổi điều kiện sống khiến một loài tiến hóa thích ứng linh hoạt theo nhiều hướng khác nhau. Các nhà lý thuyết đã đề xuất rằng lựa chọn dao động giúp giải thích sự biến đổi rộng rãi được thấy ở nhiều loài khác không chỉ loài mặt khỉ.

Trong cuộc họp về hoa mặt khỉ hồi tháng sáu, John Willis, một nhà di truyền học tiến hóa tại Đại học Duke ở Durham, Bắc Carolina cũng tiết lộ một manh mối chính về một bí ẩn khác của loài hoa mặt khỉ: đó chính là mối liên hệ của loài hoa với đất serpentine (loại đất có chứa đá serpentine). Những loại đất này rất giàu sắt và magiê nhưng ít kali, nito và canxi – những chất mà thực vật cần nhưng rất nhiều kim loại nặng độc hại, chẳng hạn như niken và crom. Willis và Jessica Selby, nghiên cứu sinh postdoc của ông gần đây đã nghiên cứu thêm các loài hoa mặt khỉ không mọc trên đất serpentine. Họ đã nghiên cứu nhiều thế hệ cây để xác định DNA quan trọng đối với tính trạng cây. Để xác định được các gene liên quan, Selby đã thu thập mẫu của một nhánh thuộc họ hoa mặt khỉ – Mimulus guttatus từ đất serpentine ở bảy nơi trên khắp California và Oregon rồi so sánh DNA của chúng với quần thể của Mimulus guttatus sống gần đó, trên vùng đất giàu dinh dưỡng hơn. 
Cả hai phương pháp đều cho thấy một gene cho một loại enzyme tạo ra arabinose – loại đường được tìm thấy chủ yếu trong thành tế bào thực vật. Loại gene đó khác nhau giữa các loài Mimulus guttatus, nhưng tất cả những cây có thể phát triển trên đất serpentine đều có cùng một đột biến. Nó có thể điều chỉnh cách arabinose tương tác với các thành phần khác của thành tế bào, bằng cách nào đó bù lại lượng canxi thấp và magiê cao, giữ cho thành tế bào không bị ảnh hưởng. Nhóm của Willis cùng với các nhà nghiên cứu từ Đại học California (UC), Berkeley và Stanford đang tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm về vấn đề này.

Bằng cách khai thác di truyền quần thể và các kỹ thuật tìm kiếm gene khác, Willis đã “đi trước trong việc xem xét làm thế nào mà hệ gene có thể tạo ra sự biến đổi tự nhiên to lớn ở thực vật”, Lila Fishman, nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Montana ở Missoula nhận xét. Công trình cũng có thể mang lại lợi ích thiết thực. Theo Benjamin Blackman, nhà sinh vật học tiến hóa tại UC Berkeley: “Nghiên cứu tìm hiểu cách cây trồng thích nghi với môi trường đất cằn cỗi có thể cung cấp thông tin cho các nỗ lực nhân giống nhằm phát triển cây trồng có thể với những loại đất như vậy”.

Mở ra những cánh cửa khái quát hơn về tiến hóa sinh vật

Bên cạnh việc tập trung vào các đặc tính sinh học đặc biệt của loài hoa mặt khỉ, các nhà nghiên cứu đang sử dụng chúng để nghiên cứu tìm ra những bài học khái quát hơn về thực vật và động vật. Một ví dụ điển hình là nghiên cứu của Yuan và Blackman về hình dạng màu sắc của thực vật. Phòng thí nghiệm của Blackman ban đầu nghiên cứu hoa hướng dương. Nhưng Mimulus guttatus đã hấp dẫn ông: nó rất thích hợp cho việc nghiên cứu mô hình cơ sở di truyền vì bộ gene đơn giản của nó đã được giải trình tự, cho phép dễ dàng kiểm tra vai trò của các gene và protein cụ thể bằng cách biến đổi gene của cây. Nghiên cứu độc lập với nhau, ông và Yuan đã tập trung vào cùng một loại protein mà họ nghĩ có thể là chìa khóa cho các xu hướng về hình dạng màu sắc của hoa.

Yuan và Baoqinh Ding, một nghiên cứu sinh của UConn, gần đây đã theo dõi gene khiến sắc tố đỏ xuất hiện ở mặt dưới của cánh hoa màu vàng trên một số bông hoa mặt khỉ. Màu đỏ thường xuất hiện dưới dạng một dải các đốm, có vai trò như báo hiệu nơi có mật hoa cho các loài thụ phấn. Nhiều loại màu trong thực vật và động vật là kết quả của một mạng lưới các protein kích hoạt các gene sắc tố tại các vị trí và thời điểm cụ thể trong cơ thể. Nhưng Yuan và Blackman tự hỏi rằng liệu những đốm hoa mặt khỉ có thể được tạo ra thông qua cơ chế được Turing đề xuất vào những năm 1950. Nổi tiếng với việc phá vỡ mật mã Đức Enigma trong Thế chiến II nhưng ông cũng là một nhà sinh học lý thuyết. 

Turing dự đoán rằng một số mẫu hoa xuất hiện do sự khuếch tán tự nhiên và tương tác của các protein có nồng độ điều hòa lẫn nhau. Đối với các đốm, khi gene mã hóa một tế bào được kích hoạt để sản xuất sắc tố, protein hoạt hóa sẽ kích thích sự sản xuất của chính nó và của một protein ức chế, và khuếch tán ra ngoài điểm sắc tố. Phân tử thứ hai sẽ tắt bất kỳ chất kích hoạt nào trong các tế bào xung quanh, gây ra quầng sáng trắng. Nhưng protein ức chế sẽ trở nên loãng hơn khi đi xa hơn, cuối cùng mất tác dụng. Sau đó, protein hoạt hóa có thể được bật trở lại, và một điểm màu mới hình thành. Các hình mẫu màu sắc xuất hiện tùy thuộc vào sự chênh lệch độ khuếch tán của hai protein này.

Hoa mặt khỉ sinh trưởng được ở trong những vùng đất rất cằn cỗi, mặn, hạn… Việc tìm hiểu gene của hoa mặt khỉ sẽ giúp mở ra cơ chế để giúp cây trồng chịu mặn tốt hơn. 

Các nhà sinh vật học từ lâu đã cho rằng cơ chế mà Turing đưa ra là nguồn gốc của các sọc vằn và đốm báo, thậm chí các đốm trên hoa mặt khỉ. Thật vậy, Yuan đã xác định được một loại protein ở hoa mặt khỉ có thể đóng vai trò là chất kích hoạt. Nhưng không ai xác định được một hệ thống kích hoạt – ức chế đầy đủ liên quan đến các hình dáng sắc tố định kỳ. Tuy nhiên, Blackman đã nhận thấy một manh mối trong một số loài Mimulus guttatus hoang dã: chúng thiếu các đốm hoặc chỉ có một mảng lớn màu đỏ, mà ông gọi là lưỡi, cho thấy một phần của hệ thống kích hoạt – ức chế đã bị mất. Một cách độc lập với Blackman, Yuan phát hiện ra một loại lưỡi đỏ tương tự giữa các dị bản mà anh tạo ra ở một loài Mimulus khác. Khi họ biết về công việc của nhau, cả hai đã hợp lực. Tại cuộc họp về Mimulus vào tháng sáu, họ đã báo cáo việc sử dụng “lưỡi đỏ” để theo dõi một loại protein có tên R3-MYB, một chất đối kháng với protein hoạt hóa đã được biết đến. 

Để xác nhận rằng R3-MYB thực sự đóng vai trò là protein gây ức chế, Yuan và Blackman đều sử dụng các công cụ phân tử để ngăn chặn việc sản xuất nó. Yuan dựa vào sự can thiệp của RNA, trong khi nhóm Blackman đã sử dụng công cụ CRISPR, lần đầu tiên được đưa vào trong công nghệ chỉnh sửa bộ gene của Mimulus. Cả hai kỹ thuật đều dẫn đến một đường lưỡi đỏ đầy đủ trên các cánh hoa của Mimulus, một bằng chứng sống động minh chứng rằng cơ chế mà Turing đưa ra có thể giải thích cho một số các hiện tượng trong tự nhiên. Công trình này cho thấy Mimulus có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về các quá trình hình thành đa dạng sinh học.

Một số nghiên cứu khác về hoa mặt khỉ làm sáng tỏ đa dạng sinh học bằng cách cho thấy một cơ chế chỉ xảy ra duy nhất ở thực vật, nhằm giúp chúng nhanh chóng thích nghi với điều kiện mới. Jaime Schwoch, học viên cao học của Đại học bang Portland ở Oregon đã tìm ra nguồn gốc của lợi thế đó – là cách chúng sản xuất các tế bào sinh sản. Ở động vật, các tế bào có thể biến thành trứng và tinh trùng (tế bào sinh giao tử) được cô lập sớm trong quá trình phát triển và chúng không phân chia cho đến khi trưởng thành về mặt tình dục. Điều đó bảo vệ chúng khỏi các đột biến liên quan đến phân chia xảy ra trong cơ thể sinh vật ở các tế bào không phải tế bào mầm, tế bào soma trong nhiều loại mô. Nhưng hoa có chứa cả hai loại tế bào mầm – phấn hoa và noãn – được hình thành từ mô soma ở điểm đầu của thân cây đang phát triển. Bất kỳ đột biến xảy ra trong các tế bào phân chia của một thân cây sẽ lưu giữ trong các tế bào mầm và có thể truyền sang thế hệ tiếp theo. 
Với việc đột biến ở mô soma tích tụ trong các tế bào mầm của cây qua nhiều thế hệ liên tiếp, Schwoch đã tự hỏi rằng tại sao thực vật lại không trội hơn hẳn về số lượng đột biến so với động vật, cũng như phải chịu một lượng lớn các đột biến gây hại. Trên thực tế, khi các mô soma của cả thực vật và động vật phát triển, các tế bào của chúng tích lũy khoảng một đột biến trên một triệu cặp base trong mỗi lần phân chia tế bào, vì vậy tế bào mầm thực vật phải có nhiều đột biến hơn tế bào mầm động vật. Nhưng sự thực lại không phải như vậy. Và đột biến nguy hiểm lại khá ít ở thực vật, Schwoch nhận ra điều đó khi cô so sánh hai nhóm hoa mặt khỉ. Cô đã tạo ra một loại bằng cách tự thụ tinh cho từng bông hoa bằng phấn hoa của chính nó, nhóm còn lại bằng cách thụ tinh hoa với phấn hoa từ một cành hoa khác trên cùng một cây (tương đương việc lai giữa các bố mẹ khác nhau), vì mỗi nhánh cây mang một/ (hoặc một số kiểu) đột biến đặc trưng khi nó lớn lên. 

Tự thụ tinh, giống như cận huyết ở động vật, nên kết hợp các đột biến lặn có hại, vì vậy Schwoch mong muốn các cây lai sử dụng phấn hoa từ một nhánh để thụ tinh cho một hoa trên nhánh khác sẽ khỏe mạnh hơn. Nhưng một số cây con sinh sôi mạnh mẽ và hoàn toàn khoẻ mạnh lại đến từ thế hệ có nguồn gốc từ một thân cây duy nhất, và điều này đã được Schwoch báo cáo tại Hội thảo về Tiến hóa sinh vật năm 2019, cũng như tại cuộc thảo luận về hoa mặt khỉ vào tháng 6. Phát hiện đó cho thấy bằng cách nào đó, thực vật đã loại bỏ các đột biến có hại trong các tế bào soma của chúng và tích lũy những tế bào có lợi nhằm mục đích sinh sản.

Để xác minh quá trình phân loại đó, Schwoch đã trồng cây hoa mặt khỉ trong sáu tháng trong điều kiện mặn hơn bình thường và sau đó giải trình tự DNA từ các đầu nhánh của chúng, lưu ý đến các đột biến mới và tần suất đột biến xuất hiện trong các tế bào được giải trình tự. Những đột biến như vậy thường sẽ xảy ra ở tần số thấp, vì vậy khi cô tìm thấy một đột biến như vậy xuất hiện ở nhiều tế bào của đầu cây, cô đã suy luận rằng tế bào ban đầu có đột biến đó đã phát triển nhanh hơn nhiều so với các tế bào không có nó và thay thế chúng. Tỷ lệ đột biến tăng gấp đôi dưới áp lực muối, hơn nữa, các tế bào mang đột biến cải thiện khả năng chịu mặn có khả năng tồn tại lớn hơn trong thân cây, trong khi các tế bào kém thích nghi đã chết. Những đột biến còn sót lại được đưa vào mầm, vì vậy những thuộc tính mới trong vòng đời được truyền lại cho những bông hoa và phấn hoa tiếp theo. Quá trình này có nghĩa là cây có thể thích nghi rất nhanh với điều kiện khó khăn, Schwoch cho biết.

Nhà sinh vật học tiến hóa Duke Jennifer Coughlan rất ấn tượng với nghiên cứu này. “Đây là công trình có ý nghĩa rộng lớn đối với tất cả các loài thực vật, nhưng đặc biệt đối với các cây lâu năm sống lâu đã tích lũy nhiều đột biến trong suốt cuộc đời của chúng.” Sweigart dự đoán Schwoch sẽ nhanh chóng khám phá ra các đột biến cụ thể tạo ra khả năng chịu mặn: Hoa mặt khỉ “có nguồn gene tuyệt vời, do đó, chúng ta có thể xác định được chính xác những thay đổi phân tử đã xảy ra trong cây chịu mặn”. Những gì học được từ việc nghiên cứu hoa mặt khỉ có thể giúp chỉ ra cơ chế chịu được đất mặn hơn ở các loại cây khác, bao gồm cả cây dại và cây trồng. □

Hạnh Duyên lược dịch
Nguồn: Science 365 (6456), 854-857. DOI: 10.1126/science.365.6456.854