Không sinh sản hữu tính nhưng vẫn trao đổi gen

Từ đâu mà chúng ta có hệ gen của riêng mình? Nếu là động vật, gen có được từ quá trình thụ thai của bố mẹ, và chỉ vậy thôi. Không hề có sự kết hợp ADN sau đó, trừ khi chúng ta có một loài động vật ký sinh nào đó sống trên cơ thể mình hoặc một thực thể cộng sinh bằng cách nào đó chuyển một phần gen của chúng sang cho chúng ta (đây là một trường hợp hiếm được ghi nhận). Hoặc nếu không chúng ta ắt phải là loài bdelloid rotifer.

Loài động vật nước ngọt kỳ lạ này, trên kính hiển vi, tiếp tục biến đổi một lần nữa. Lần này một số lượng lớn ADN lạ được tìm thấy trong bộ gen của chúng. Trong bài báo công bố tuần này trên tờ Science, bằng chứng về sự di chuyển ngang hàng một lượng lớn gen – từ vi khuẩn, nấm, thậm chí từ thực vật – sang bộ gen của bdelloid rotifer được Irina Arkhipova, Matthew Meselson, các nhà khoa học từ Trung tâm Josephine Bay Paul của MBL và đại học Harvard, cùng sinh viên cao học Eugene Gladyshev tại đại học Harvard trình bày.

Di chuyển gen là hiện tượng phổ biến ở vi khuẩn, tuy nhiên nó chưa hề được biết đến trong vương quốc các loài động vật với quy mô lớn như vậy – cho đến khi nghiên cứu này được thực hiện.

Arkhipova cho biết: “Thật là một điều kinh ngạc khi bdelloid có khả năng lựa chọn gen bên ngoài, từ nhiều nguồn đa dạng, để hoạt động trong cơ thể mới. Bdelloid có thể sử dụng toàn bộ gen trong môi trường, điều này có tầm quan trọng đáng kể trong việc thích nghi (bằng cách tiến hóa) với việc mở rộng sang các vùng sinh thái mới, thậm chí còn đóng góp vào quá trình hình thành loài bdelloid”.

Mẫu cấy thí nghiệm bdelloid rotifer Adineta vaga. Rotifer có thể kết hợp ADN của những loài khác vào bộ gen của mình trong giai đoạn bị sấy khô hoặc mất nước trong vòng đời của chúng. (Ảnh: Eugene Gladyshev)

Phát hiện này góp phần giải thích tại sao bdelloids, một loài sinh sản vô tính, có thể tự đa dạng hóa thành 360 loài trong 40 triệu năm tiến hóa. Người ta gọi đây là một “xì căng đan về tiến hóa”. Bdelloid phủ nhận quan điểm rằng sinh sản hữu tính – kết hợp ADN của bố mẹ ở con con – tạo nên sự đa dạng và khả năng thích ứng cao cho một giống loài, và vì vậy làm tăng sự thành công về mặt tiến hóa. Nghiên cứu của Arkhipova cho rằng nếu bdelloid có thể kết hợp ADN lạ từ môi trường, chúng cũng có thể lựa chọn ADN từ những con bdelloid khác. Theo quan điểm tiến hóa, hiện tượng này cũng tương tự như hình thức sinh sản hữu tính.

Làm cách nào bdelloid có thể gộp đủ các loại gen trong môi trường để kết hợp với bộ gen của nó. Ở động vật, những bộ phận có khả năng di truyền – trứng và tinh trùng – được bảo vệ khỏi sự xâm hại của môi trường, ví dụ như sự xâm nhập của ADN lạ từ các tế bào còn lại của cơ thể không có khả năng di truyền nhưng phục vụ mục đích “cô lập” dòng tế bào thực hiện nhiệm vụ di truyền. Arkhipova cho biết, những ý kiến về việc tại sao bộ phận di truyền của bdelloid lại được tiếp xúc với môi trường trao đổi “đều mang tính chất suy đoán”. “Nhưng chúng tôi đã bàn về vấn đề này rất nhiều lần”.

Một đầu mối chính là khả năng sống sót của bdelloid qua thời kỳ hoàn toàn khô cạn trong khi có thể khiến hầu hết các sinh vật phải chết. Khi nước biến mất khỏi môi trường sống, bdelloid bước vào giai đoạn khử nước và ngừng hoạt động. Chúng có thể sống sót trong vòng vài tháng thậm chí vài năm. Nhưng ngay khi nước xuất hiện, chúng lập tức hoạt động trở lại, di chuyển, ăn và bắt đầu sinh sản.

Arkhipova cho biết: Trong thời kỳ khô cạn, “khả năng tổn thương màng và ADN ở rotifer là rất lớn. Không chỉ rotifer bị khô, mà tất cả thức ăn của chúng cũng vậy. Nếu ADN của cả rotifer và thức ăn của nó bị phá vỡ trong quá trình khô cạn, đó là cơ hội cho những tế bào ADN bên ngoài thâm nhập cơ quan di truyền của rotifer. Trong quá trình mất nước, những đoạn ADN bị vỡ bằng cách nào đó hồi phục, hợp nhất với ADN lạ từ bên ngoài”.

Giả thuyết trên được khơi nguồn từ nghiên cứu gần đây của Gladyshev và Meselson (2008). Nghiên cứu này chỉ ra rằng bdelloid đặc biệt giỏi hồi phục sau khi ADN của chúng bị gãy vỡ do bức xạ ion hóa. Khả năng hồi phục ADN của rotifer có thể tiến hóa do môi trường sống thiên về khô cạn. Arkhipova cho biết: “Tác động của bức xạ và khô hạn khá giống nhau, đều làm tổn hại đến nhiễm sắc thể cũng như màng ADN.”

Hầu hết những gen ngoại lai mà nhóm nghiên cứu của Arkhipova tìm thấy trong bộ gen của bdelloid tập trung gần phần đỉnh của nhiễm sắc thể, gọi là telomere. Arkhipova nói rằng: Nếu bdelloid lựa chọn gen ngoại lai trong thời kì khô hạn “đôi khi có thể là nhằm bảo vệ telomere, như chúng tôi đã chứng minh cho những yếu tố di động trong nghiên cứu trước đây (Gladyshev và Arkhipova, 2007). Hoặc ngược lại, quá trình chọn lựa không diễn ra hiệu quả để đề phòng ADN độc hại xâm nhập vào vùng tập trung gen của nhiễm sắc thể.”