Trong sinh giới, thực vật thuộc nhóm có vòng đời tương đối dài, sinh sản chậm và phải chống chịu nhiều điều kiện khắc nghiệt của môi trường dù không có khả năng di chuyển. Chính vì vậy, tạo hóa đã ban cho thực vật khả năng đáp ứng rất linh động với các điều kiện stress như nóng, lạnh, hạn hán, ngập úng, đủ loại vi sinh vật tấn công…
Các nghiên cứu trong thời gian qua đã chứng tỏ dưới ảnh hưởng của stress, thực vật không chỉ thay đổi về mặt sinh lý mà cả những biến đổi trên genome cũng đã bước đầu được ghi nhận. Tuy nhiên liệu thực vật có khả năng truyền các đáp ứng đó lại cho con cháu hay không vẫn còn là một điều chưa được làm rõ.
Một kết quả nghiên cứu mới trên tạp chí Nature đã khẳng định điều này, nghiên cứu bước đầu xác định trạng thái stress của thực vật làm gia tăng tính biến động trong genome và tính chất này có thể được di truyền cho các thế hê sau. Tính trạng gia tăng tần số tái tổ hợp tương đồng là một tính trạng ngoại di truyền và có thể được truyền từ cả bố lẫn mẹ trong các phép lai chéo (tính trạng được quy ước là tính trạng trội). Kết quả nghiên cứu cho thấy các nhân tố bất lợi trong môi trường không chỉ di truyền được qua các thế hệ mà còn có thể làm gia tăng tính đa dạng di truyền ở mức cá thể, giúp cho loài thích nghi hơn với điều kiện bất lợi.
Một thí nghiệm sự chống lại của chiếc lá khi tăng nhiệt độ (Ảnh: ugent.be)
Thực vật thường xuyên phải chống chịu các điều kiện môi trường khác nhau bằng các đáp ứng stress. Đó không chỉ là những thay đổi về mặt sinh lý mà còn làm thay đổi độ biến động của genom, chẳng hạn như sự kích hoạt các nhân tố chuyển vị, cảm ứng đột biến, hoặc gia tăng tần số tái tổ hợp tương đồng dưới tác dụng của tia UV-B. Đặc biệt là khi bị các tác nhân gây bệnh tấn công, thực vật cũng đáp ứng bằng cách gia tăng độ biến động của genom. Tất cả các đáp ứng trên genom được tích lũy đến mức độ nào đó có thể ảnh hưởng đến biểu hiện kiểu hình. Tuy vai trò của chúng có giá trị rất cao trong tiến hoá và thích nghi ở thực vật nhưng lại chưa đuợc hiểu biết sâu về mặt cơ chế cũng như chưa đánh giá được mức độ phổ biến trong sinh giới nói chung và thực vật nói riêng.
Hầu hết các nghiên cứu về đáp ứng stress trên genom trong thời gian qua mới chỉ ghi nhận về sự tồn tại của hiện tượng này ở mức độ kiểu hình cụ thể của cá thể. Nghiên cứu này chứng tỏ được rằng các đáp ứng stress biotic (fgl 22) và abiotic (UV-C) trên genom thực vật (A.thaliana) có thể truyền qua nhiều thế hệ sau.
Độ biến động genom được đánh giá thông qua tần số tái tổ hợp tương đồng HRF (Homologous Recombinant Frequency).
Để có thể định lượng được tần số tái tổ hợp, người ta dựa trên hệ thống GUS fusion thiết kế sẵn. Trong đó, mẫu đã biến nạp hệ thống GUS fusion được giữ trong điều kiện chống tái tổ hợp trên môi trường chứa Hygromycin; khi không có kháng sinh chọn lọc, tái tổ hợp nếu có xảy ra sẽ tạo thành GUS nguyên vẹn và biểu hiện thành enzyme có hoạt tính. Điểm màu càng cao, tần số tái tổ hợp càng lớn.
Nghiên cứu cho thấy Arabidopsis đáp ứng với tia UV-C cũng như
các tác nhân gây bệnh bằng cách gia tăng tần số tái tổ hợp.
Sau khi ghi nhận tần số tái tổ hợp tương đồng ở thế hệ thứ nhất, cây đã xử lý được mang ra đất trồng và thực hiện các phép lai để kiểm tra sự di truyền tính trạng và vai trò của bố mẹ. Người ta nhận thấy mặc dù không được xử lý các tác nhân stress, cũng như không có sự thay đổi về một số trình tự nhưng tính trạng HRF cao vẫn được duy trì bền vững qua ít nhất 4 thế hệ. Đồng thời trong phép lai chéo với cá thể hoang dại, sự di truyền tính trạng HFR cao có sự khác biệt rất rõ ràng khi thay đổi vai trò của bố hoặc mẹ.
(Ảnh: Nature)
Tuy nhiên, một kết quả bất ngờ khác là tính trạng này vẫn được truyền cho các thế hệ sau một cách gần như hoàn toàn ngay cả khi bố hoặc mẹ của chúng thuộc giống hoang dại (không được xử lý, không có gene chỉ thị).
Điều này chứng tỏ khi có điều kiện bất lợi xảy ra, thực vật có một cơ chế cho phép nó tự nâng cao mức độ biến động của genom (nhưng không thay đổi trình tự) đồng thời các thế hệ sau cũng có thể được thừa hưởng tính chất này nếu như bố hoặc mẹ của chúng đáp ứng stress. Nghiên cứu cho thấy rõ hơn bản chất tiến hóa của thực vật trong mối quan hệ với các tác nhân stress, nếu so sánh một cách hơi khập khiễng, nó tương tự như khái niệm Gene đối gene (Flor), thực vật luôn sẵn sàng biến đổi để tiến hoá.
Phụ lục: Điều kiện trồng: Trồng trong đất: Hạt Arabidopsis được gieo trong đất ở 4oC và đặt trong tối 3 ngày, sau đó được đặt trong phytotron với độ ẩm 70%, quang kỳ 16/8 ở 16oC. Trồng in vitro: Hạt được gieo trên môi trường MS broth (Duchefa) sucrose 1%, agar 0.8%, pH 5.8, quang kỳ 16/8. Cây 3 tuần tuổi được mang ra đất trồng để thu hạt bằng cách tự thụ hoặc lai chéo. Xử lý UV-C và flagelin: Hai tác nhân stress đại diện được dùng trong thí nghiệm là UV-C và flagelin (đại diện cho biotic và abiotic). Trong tất cả các thí nghiệm, cây được trồng trong môi trường gieo hạt trong 13 ngày trước khi được xử lý. Cây được chiếu tia UV-C (254nm) hoặc nhúng trong môi trường chứa flagelin (vùng bảo tồn flg22 từ vi khuẩn và vùng đặc trưng flg22Atum từ Argobacterium tumefacient) Tài liệu tham khảo: Jean Molinier, Gerhard Ries, Cyril Zipfel & Barbara Hohn, 2006. Transgeneration memory of stress in plants. Nature letters. 442(31):1046 -1049 |
Nguyễn Hữu Hoàng