Phép màu kỳ diệu của Mendel (kỳ 2)
Việc Mendel không được đánh giá cao lúc sinh thời vẫn có một hậu quả đáng tiếc, đó là người ta đem đốt hết mọi ghi chép của ông khi ông qua đời. Do vậy, chúng ta không biết cụ thể Mendel tiến hành lai tạo thế nào, đã phân tích chính xác là bao nhiêu cây, hay suy nghĩ gì khi thực hiện công trình mất nhiều công sức như vậy.
Những ước tính số lần thực hiện phép lai của Mendel có khả năng thiếu chính xác, khiến cho Ronald Fisher nghi ngờ rằng số liệu của Mendel quá hoàn chỉnh đến mức khó tin. May mắn thay, công bố “Các thí nghiệm lai tạo thực vật” năm 1866 của Mendel mô tả một cách tuyệt vời những động lực cũng như lựa chọn của ông, và ở một chừng mực nào đó giúp ta tìm hiểu những ẩn ý đằng sau những con chữ. Mendel đã chú ý say mê vào từng chi tiết ngay từ đầu, chắc chắn đây là đặc điểm giúp ông khám phá ra những quy luật mà những người làm các thí nghiệm tương tự không nhận ra.
Để tránh nhập nhằng trong ghi chép kết quả lai, Mendel phân tích cá thể lai hình thành từ các giống đậu Hà Lan (Pisum sativum) thuần chủng có các tính trạng khác nhau hoàn toàn – ví dụ như tính trạng trơn hay nhăn của hạt, vàng hay xanh của nội nhũ. Tuy nghiên cứu nhiều tính trạng khác nhau, nhưng Mendel tập trung chủ yếu vào các đặc tính của hạt. Nhờ đó ông có thể phân tích kết quả lai mà không phải đợi cả năm (và cần thêm nhiều cá thể cây đậu) như phân tích tính trạng cây hay hoa.
Một lợi thế then chốt nữa khi nghiên cứu đậu Hà Lan là đây là loài tự thụ phấn, giúp cho việc tạo ra và phân tích kết quả lai dễ dàng. Tuy nhiên, nhờ kích thước hoa lớn, ta có thể cắt bỏ bao phấn trước khi phấn chín, rồi thụ phấn cho hoa đã khử đực bằng cách dùng cọ quét phấn từ cây khác lên hoa. Để kiểm chứng xem côn trùng có tham gia thụ phấn và làm ảnh hưởng đến thí nghiệm không, Mendel so sánh kết quả lai ở cây trồng ngoài trời với cây trồng trong nhà kính, mà trong đó Mendel cho bọ cánh cứng Bruchus pisorum sinh sôi để ăn các loại côn trùng thụ phấn. Đáng tiếc là cái nhà kính nổi tiếng ấy không còn nữa. Sự cẩn thận tới nhường ấy rất giống với trong thiết kế thí nghiệm hay các bài báo khoa học hiện đại.
Ngoài hình dáng và màu sắc hạt, Mendel còn nghiên cứu năm cặp tính trạng khác: vị trí hoa (mọc từ giữa cành hay mọc ở ngọn), màu hoa (tím hay trắng), chiều cao (cao hay thấp), hình dáng vỏ đậu (rộng hay hẹp), và màu vỏ đậu (vàng hay xanh). Đối với cả bảy cặp tính trạng này, thế hệ lai F1 của cây cha mẹ mang tính trạng khác nhau đều giống chỉ một bên cha hoặc mẹ. Tính trạng thể hiện ở F1 là “trội” còn tính trạng bị ẩn đi là “lặn”. Theo đó, hạt trơn là trội còn hạt nhăn là lặn, nội nhũ vàng là trội còn nội nhũ xanh là lặn – hiện tượng này không phụ thuộc việc tính trạng đó là của cha hay của mẹ truyền cho. Quan trọng là tất cả 7 tính trạng lặn đều có mặt nhưng ở dạng ẩn vì khi được tự thụ phấn thì lại xuất hiện ở thế hệ kế tiếp cho dù chỉ bằng khoảng 1/3 so với tính trạng trội. Không như những người đã quan sát thấy hiện tượng này trước đó, Mendel nhận ra rằng không phải cây lai mang tính trạng trội nào cũng giống nhau. Khi để chúng tự thụ phấn một lần nữa, 2/3 cây cho kết quả lai như thế hệ lai đầu tiên, tức là cho ra cả tính trạng lặn lẫn tính trạng trội theo tỉ lệ 1:3. Nhưng 1/3 cây lai kia thì chỉ cho ra cây con mang tính trạng trội – tức là những cây này là cây thuần chủng, cũng giống như con cái của thế hệ F1 mang tính trạng lặn vậy. Do đó, trong số các cá thể lai, 1/4 chỉ có tính trạng trội, 1/4 chỉ có tính trạng lặn, và một nửa thì giống như thế hệ lai F1 ban đầu, tức là tạo ra các cá thể con khác nhau.
Mendel đã chú ý say mê vào từng chi tiết ngay từ đầu, chắc chắn đây là đặc điểm giúp ông khám phá ra những quy luật mà những người làm các thí nghiệm tương tự không nhận ra.
Với kiến thức ngày nay, ta biết việc những tính trạng này luôn xuất hiện theo những tần số nhất định là do chúng chỉ do một gene quy định. Ví dụ, hình dạng hạt chắc chắn do nhiều gen quy định, và khả năng tính trạng mà Mendel chọn theo dõi không chỉ do một mà là hai gene quy định là hoàn toàn đã có thể xảy ra. Nếu thực tế đã diễn ra đúng như vậy thì chắc Mendel sẽ không quan sát thấy sự trội của một tính trạng so với tính trạng khác, còn chuyện phân tích kết quả lai chắc chắn sẽ phức tạp hơn rất nhiều. Vì những ghi chép của Mendel không còn nữa nên chúng ta không bao giờ biết được thực ra Mendel đã may mắn chọn được những tính trạng không phải do nhiều gene quy định, hay thực ra ông đã khôn ngoan tập trung vào những đặc tính thể hiện rõ sự trội hay lặn.
Sáng tạo tuyệt vời tiếp theo của Mendel là đặt ra ký hiệu cho những kết quả này bằng ký tự như A và a để chỉ các tính trạng trội và lặn (ví dụ như hạt trơn và hạt nhăn), rồi B và b để chỉ một cặp tính trạng trội và lặn khác (chẳng hạn như hạt vàng và hạt xanh). Con lai của cây thuần chủng mang tính trạng A và cây thuần chủng mang tính trạng a được gọi là Aa vì chúng rõ ràng có mang cả tính trạng trội và lặn tuy tính trạng lặn không được thể hiện ra. Từ đây, chúng ta có ba loại cá thể con chứ không phải hai loại như người ta nghĩ trước đó: loại chỉ có A, loại chỉ có a, và loại Aa giống như thế hệ lai đầu tiên. Điểm mấu chốt là ba loại cá thể lai này xuất hiện theo tỉ lệ 1:1:2. Hiểu theo lời lẽ của Mendel thì biểu thức A + 2 Aa + a cho thấy tỉ lệ phân ly của các cá thể con từ cha mẹ Aa.
Để theo dõi và hiểu đúng tư duy của Mendel, ta cần phải ngưng việc cố liên hệ cách ghi của Mendel với cách ghi AA + 2 Aa + aa ngày nay. Với những phương pháp có được lúc bấy giờ, tức là phân tích kết quả lai từ tự thụ phấn hay lai tạo, Mendel chỉ có thể chứng minh rằng cây Aa có mang tính trạng lặn lẫn tính trạng trội, nhưng ông không thể nào biết được rằng cây thuần chủng cũng có cặp tính trạng tuy hai tính trạng trong cặp giống nhau hoàn toàn. Nói cách khác, Mendel không có bằng chứng nào từ thực nghiệm để gọi các cá thể thuần chủng là AA hay aa. Hơn nữa, ông cũng không biết những tính trạng ông đang theo dõi được truyền lại qua nhiễm sắc thể mà luôn tồn tại theo cặp trong mỗi tế bào. Điều may mắn là việc ký hiệu cây thuần chủng là A hoặc a (chứ không phải AA hoặc aa) không cản trở việc giải thích và biện luận kết quả thí nghiệm của Mendel.
Bài báo kế tiếp của Mendel có lẽ là công trình đột phá nhất của ông: phân tích cá thể lai từ cha mẹ khác nhau từ hai cặp tính trạng trở lên. Ta vẫn không rõ những thí nghiệm này và thí nghiệm kể trên được thực hiện cùng nhau hay riêng biệt. Một vài phép phân tích một cặp tính trạng có thể cũng được thực hiện trên cây mang nhiều cặp tính trạng khác nhau. Trong thí nghiệm đầu, thụ phấn một cây AB có hạt trơn, vàng với một cây ab có hạt nhăn/xanh tạo ra toàn cây con có hạt trơn/vàng (AaBb). Những cây AaBb này khi tự thụ phấn sẽ tạo ra bốn loại hạt là trơn/vàng, nhăn/vàng, trơn/xanh, và nhăn/xanh theo tỉ lệ gần với 9:3:3:1. Khi tiếp tục đem gieo trồng, Mendel xác định được cây nào là thuần chủng còn cây nào không phải, rồi từ đó ông ký hiệu cho các loại cây con có cha mẹ là thế hệ lai F1 là AB, Ab, aB, ab, ABb, aBb, AaB, Aab, và AaBb. Các cây này có thể xếp thành ba nhóm. Nhóm 1 gồm AB, Ab, aB, và ab là những cây thuần chủng ở cả hai cặp tính trạng. Nhóm 2 gồm ABb, aBb, AaB, và Aab chỉ có một cặp tính trạng thuần chủng. Nhóm 3 là AaBb thì cả hai cặp tính trạng đều không thuần chủng. Điều đáng chú ý là mỗi loại cây lai xuất hiện theo tỉ lệ 1:2:4; tức là nếu mỗi loại trong nhóm 1 có 1 cây thì mỗi loại trong nhóm 2 và nhóm 3 lần lượt có 2 và 4 cây. Như vậy, ở phép lai cây không thuần chủng ở một cặp tính trạng, ta có ba kiểu con lại là A + 2 Aa + a, thì phép lai cây không thuần chủng ở hai cặp tính trạng sẽ tạo ra chín kiểu con lai là AB + Ab + aB + ab + 2 ABb + 2 aBb + 2 AaB + 2 Aab + 4 AaBb.
Chắc hẳn Mendel nhận thức được ý nghĩa của kết quả này nhờ kiến thức toán tổ hợp: tỉ lệ phân li khác nhau hai tính chất là sự kết hợp (hay nhân kết quả) của (A + 2 Aa + a) với (B + 2 Bb + b). Trong thí nghiệm thứ hai, hạt của cây thuần chủng có hạt trơn/vàng và vỏ xám (ABC) được thụ phấn bằng phấn của cây có hạt nhăn/xanh và vỏ trắng (abc). Kết quả phân tích của Mendel cho thấy, chuỗi tỉ lệ phân ly với 27 thành tố, là kết quả của sự kết hợp (A + 2 Aa + a), (B + 2 Bb + b), và (C + 2 Cc + c).
Từ những thí nghiệm này và những thí nghiệm tương tự liên quan đến hai hay ba cặp tính trạng, Mendel đã kết luận rằng: “Hậu duệ của con lai trong đó các tính trạng khác nhau về bản chất được hợp nhất thể hiện các tính chất của một chuỗi số tổ hợp mà tỉ lệ phân li cho mỗi cặp tính trạng khác nhau được kết hợp”. Theo Mendel, kết quả này chỉ có thể là do “mỗi cặp tính trạng khác nhau được kết hợp ở cá thể lai một cách độc lập với các tính trạng khác giữa hai cá thể cha mẹ ban đầu”.
Đây chính là quy luật phân ly độc lập của Mendel mà ta biết đến ngày nay. Quy luật này cho thấy đặc tính quan trọng của tiến trình di truyền các tính trạng. Nó còn dẫn đến một ý tưởng mang tính cách mạng rằng các đặc tính sinh lý khác nhau của thực vật phải được các ‘thành tố’ độc lập quy định (ngày nay ta biết đó là gene); và tuy chúng có vai trò khác nhau, chúng đều được truyền từ thế hệ này sang thế hệ khác bằng một cơ chế giống hệt nhau. Điều này cũng cho ta thấy rõ câu hỏi thôi thúc nghiên cứu của Mendel, đó chính là nguồn gốc các biến dị dẫn đến sự hình thành loài mới. Menden đã nhận ra rằng nếu n là số các tính trạng khác nhau giữa hai cây cha mẹ, thì số lớp trong chuỗi tổ hợp là 3n và số tổ hợp bất biến là 2n. Mendel cũng có thực hiện một phép lai bao gồm hết cả bảy cặp tính trạng, và chứng minh rằng kết quả cho ra 27 (128) tổ hợp bất biến khác nhau, mỗi tổ hợp trên lý thuyết đều có thể dẫn đến hình thành một loài mới. Không rõ Darwin sẽ nghĩ gì khi có được những thông tin này.
Vì những ghi chép của Mendel không còn nữa nên chúng ta không bao giờ biết được thực ra Mendel đã may mắn chọn được những tính trạng không phải do nhiều gene quy định, hay thực ra ông đã khôn ngoan tập trung vào những đặc tính thể hiện rõ sự trội hay lặn.
Sự tài tình của Mendel không chỉ ở việc ông tiến hành đủ các phép lai để nhận ra quy luật di truyền và tổ hợp toán học của chúng, mà còn ở chỗ ông nhận biết được cơ chế của hiện tượng này bằng trực giác. Mendel đề xuất rằng: mỗi tế bào phấn (giao tử đực) và mầm (giao tử cái) của cá thể Aa chỉ chứa một A hoặc một a mà không bao giờ có cả hai; các tế bào giao tử A và a được tạo ra với số lượng bằng nhau; giao tử cái chỉ cần một giao tử đực thụ phấn; và con lai thuần chủng sẽ được tạo ra nếu giao tử đực và giao tử cái mang cùng mang A hoặc cùng mang a. Nếu cho rằng cơ hội thụ phấn của các giao tử là như nhau thì ta sẽ có bốn kiểu thụ phấn: giao tử cái A với giao tử đực A, giao tử cái A với giao tử đực a, giao tử cái a với giao tử đực A, và giao tử cái a với giao tử đực a (tức là, A/A + A/a + a/A + a/a); phép lai này sẽ tạo ra hai dòng thuần chủng và hai dòng không thuần chủng theo chuỗi A + 2 Aa + a. Đây là lúc Mendel đã có thể thay đổi hệ thống ký hiệu và dùng AA và aa để chỉ cá thể thuần chủng. Tuy nhiên, có lẽ Mendel đã không làm vậy vì nhiều lý do. Trước hết là thay đổi giữa bài như thế sẽ làm người đọc khó hiểu vì không giống với cách ghi trước đây. Lý do thứ nữa là cách ghi này không thống nhất với lý giải tiếp theo (mà thực ra là sai) của ông về cách các tính trạng được kết hợp khi thụ phấn. Lý do cuối là có đổi cách ghi hay không thì cũng không ảnh hưởng đến kết luận ở đây. Việc thay đổi cách ghi ký hiệu chỉ hoàn toàn cần thiết khi ta thấy được nhiễm sắc thể là cơ sở vật chất của hiện tượng di truyền tính trạng.
Loạt thí nghiệm lớn cuối cùng được mô tả trong bài báo của Mendel đúng là sản phẩm của một bậc thầy. Mendel đương nhiên không thể đo đếm các kiểu tế bào mầm hay tế bào phấn này một cách trực tiếp, nhưng ông biết rằng mình có thể khảo sát thông qua phân tích cá thể con lai từ thụ phấn. Để nghiên cứu tế bào mầm, ông dùng tế bào phấn có các thành tố đã biết, chẳng hạn như phấn từ cây thuần chủng AB (hạt vàng, trơn) hay cây thuần chủng ab (hạt xanh, nhăn) – đây là những cây chỉ có thể tạo một kiểu phấn là AB hoặc ab. Ngược lại, để nghiên cứu phấn, ông đem chúng thụ phấn cho cây thuần chủng AB hoặc ab. Ví dụ như trường hợp tế bào mầm từ cá thể lai AaBb được lai với phấn từ cây ab. Bốn kiểu thụ phấn là AB/ab + Ab/ab + aB/ab + ab/ab sẽ tạo ra chỉ bốn kiểu cây lai AaBb, Aab, aBb, và ab.
Sự tài tình của Mendel không chỉ ở việc ông tiến hành đủ các phép lai để nhận ra quy luật di truyền và tổ hợp toán học của chúng, mà còn ở chỗ ông nhận biết được cơ chế của hiện tượng này bằng trực giác.
Nghiên cứu của Mendel, chính là nguồn gốc các biến dị dẫn đến sự hình thành loài mới.
Đương nhiên là Mendel không thể quan sát được trực tiếp, nhưng chỉ qua những con số và tỉ lệ các loại tổ hợp tính trạng như số hạt trơn vàng, trơn xanh, nhăn vàng và nhăn xanh, ông đã thấy kết quả đúng như dự đoán của mình. Để chứng minh hạt trơn vàng đúng là kết quả lai của hai cặp tính trạng (AaBb), ông đã đem gieo những hạt này và quan sát thấy đúng là cây trưởng thành tạo ra cả hạt trơn và nhăn, vàng và xanh. Tương tự, các hạt trơn xanh khi nảy mầm lớn lên sẽ tạo ra hạt xanh cả trơn lẫn nhăn, cho thấy đây là kiểu lai Aab; còn hạt nhăn vàng thì nảy mầm sẽ sinh ra hạt nhăn cả vàng lẫn xanh, tức đây là kiểu lai aBb. Cuối cùng là khi đem các hạt xanh nhăn cho nảy mầm thì cây trưởng thành chỉ tạo ra hạt xanh nhăn, kết quả này xác nhận rằng chúng là cây ab thuần chủng. Đây chỉ là một trong bốn kiểu lai ngược dòng mà Mendel thực hiện. Quan trọng là cả bốn kiểu lai đều xác nhận rằng cây lai AaBb (là kết quả lai giữa cây mang noãng AB và cây cho phấn ab) tạo ra bốn kiểu tế bào mầm hay phấn với tỉ lệ như nhau là AB, Ab, aB, và ab (Còn tiếp).
Nguyễn Trịnh Đôn dịch
Nguồn: “The magic and meaning of Mendel’s miracle”, Nature 23:447 (2022), DOI: 10.1038/s41576-022-00497-2.
—————-
(*) Đọc thêm về tính vị kỷ của gene: “Gene vị kỷ: Tầm ảnh hưởng lớn về tiến hóa và cách tư duy về thế giới sinh vật”, Tia Sáng (2019), http://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/gen-vi-ky-tam-anh-huong-lon-ve-tien-hoa-va-cach-tu-duy-ve-the-gioi-sinh-vat-20823/
