Thực vật có hoa tuân theo khái niệm "càng nhiều hoa càng tốt", liên quan đến bộ gen của chúng. Ở trạng thái cơ bản, chúng là thể lưỡng bội với hai bản sao bộ gen, mỗi bản sao đến lần lượt từ bố và mẹ. Trường hợp có ba hoặc nhiều bản sao bộ gen bổ sung từ bố, mẹ hoặc tự nhân đôi, còn được gọi là "đa bội", thường gặp ở các loài thực vật có hoa; ít nhất một lần trong quá trình tiến hóa của chúng, bộ gen của thực vật có hoa đã nhân lên. Theo thời gian, thực vật mất đi nhiều gen sau những sự kiện biến đổi, khiến bộ gen của chúng trở lại trạng thái lưỡng bội trong khi vẫn giữ lại nhiều bản sao của một số gen.
Brachypodium distachyon, loài cây mô hình ôn đới đại điên cho các loài ngũ cốc và cỏ làm nhiên liệu sinh học với cả trăm bộ gen đang phát triển, ở Tây Ban Nha: Huesca, Ibieca, San Miguel de Foces. Ảnh: Pilar Catalán.
Quá trình đa bội hóa này đang diễn ra và kết quả hình thành nhiều loài thực vật đa bội gần đây, bao gồm các loại cây trồng chủ lực nông nghiệp và các cây nguyên liệu cung cấp năng lượng sinh học. Các nhà tạo giống cây trồng đã khai thác sự đa bội để tăng kích thước quả và hoa, đồng thời tạo ra các đặc điểm chống chịu điều kiện bất thuận. Trước tầm quan trọng của hiện tượng đa bội ở thực vật, các nhà nghiên cứu đã tìm cách tìm hiểu nguồn gốc, sự tiến hóa và phát triển của thể đa bội ở thực vật. Một nhóm đến từ nhiều tổ chức do các nhà nghiên cứu tại Đại học University of Zaragoza của Tây Ban Nha và Viện Bộ gen của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) (JGI), Văn phòng Khoa học DOE đặt tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley), đã dựa vào mô hình hệ thống cây cỏ cho câu trả lời. Công trình của họ đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.
Nhóm đã nghiên cứu Brachypodium hybridum, một dạng đa bội do sự kết hợp của các bộ gen từ các loài lưỡng bội B. stacei và B. distachyon, họ hàng của cỏ switchgrass - cây trồng cung cấp năng lượng sinh học. Cả ba loại cỏ Brachypodium đều có bộ gen nhỏ, vòng đời ngắn và có thể dễ dàng biến đổi, các đặc điểm này giúp chúng dễ dàng được thao tác với hệ thống định dạng sinh học trong phòng thí nghiệm. Pilar Catalan của Universidad de Zaragoza, một trong những tác giả cao cấp của bài báo cho biết: “Chúng tôi thật may mắn vì các loài tiền thân của Brachypodium hybridum vẫn còn tồn tại (trong khi các loài sinh sản lưỡng bội của các loài thực vật đa bội khác đã tuyệt chủng hoặc không được biết đến). "Nó cung cấp cho chúng tôi khả năng khám phá về mặt di truyền phức hợp của các loài sinh sản và loài hậu duệ, tìm hiểm nguyên nhân tiến hóa đa bội".
Đánh giá bộ gen đa bội trong hỗn hợp gen
Sự di truyền tế bào của Hasterok et al. 2004, 2006 - Hình ảnh thực hiện từ phòng thí nghiệm Vogel. Ảnh: John Vogel.
Đối với nghiên cứu, một phần được hỗ trợ bởi cộng đồng Khoa học chương trình của JGI, nhóm đã tạo ra các tham chiếu của gen cho B. hybridum và B. stacei, cũng như nhiều gen có chất lượng thấp hơn cho cả ba cỏ loài cỏ này. Với những dữ liệu này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hỗn hợp gen chứa 4 bộ gen B. hybridum và nhiều bộ gen B. distachyon. Điều này được xây dựng dựa trên hỗn hợp gen B. distachyon được tạo ra trước đó.
Hỗn hợp là tập hợp các gen-chính-xác (không bị dư thừa) tìm thấy ở một loài, nhưng trong trường hợp này, nhóm nghiên cứu đã đưa hai loài vào bộ gen hỗn hợp. Thông thường, các bộ gen hỗn hợp lớn hơn nhiều so với bất kỳ bộ gen riêng lẻ nào làm nổi bật thực tế là thông tin di truyền trong một bộ đơn gen tham chiếu là không đủ. John Vogel, người đứng đầu chương trình Bộ gen chức năng thực vật tại JGI cho biết: “Chúng tôi phải đánh giá các bộ gen đa bội trong bộ gen hỗn hợp, để không đánh giá quá mức sự tiến hóa xảy ra sau khi đa bội hóa. "Giả định rằng tất cả các gen trong bộ gen tham chiếu lưỡng bội đều có trong tổ tiên lưỡng bội thực sự của dòng tham chiếu đa bội đơn giản là không thực sư dựa trên các nghiên cứu về bộ gen hỗ hợp trước đây. Vì vậy, chúng ta phải so sánh nhiều bộ gen đa bội với bộ gen hỗn hợp để ước lượng tốt hơn quá trình tiến hóa sau đa bội hóa".
Ảnh một loài đa bội, hai hệ con
Mô hình Brachypodium distachyon - B. Stacei - B. hybridum đa bội phức tạp. Ảnh: Juan Luis Castillo.
Trong số các phát hiện của nhóm nghiên cứu là thể đa bội B. hybridum hình thành nhiều lần và những sự kiện này diễn ra cách nhau một triệu năm: cá thể có bố mẹ là B. distachyon (D plastotype) khoảng 1,4 triệu năm trước (Mya), trong khi S plastotype là một sự kiện gần đây hơn (0,14 Mya) với bố mẹ B. stacei. Phân tích cũng cho thấy rằng hai loại B. hybridum này không giao phối với nhau. Catalan nói thêm: "Các thí nghiệm lai nhân tạo sơ bộ giữa tổ tiên và lai B. hybridum gần đây đã tạo ra con cháu F1 vô sinh (con đầu tiên của bố mẹ), đặt ra câu hỏi liệu chúng có tương ứng với cùng một kết quả đặc tính lặp lại hay với các loài khác nhau".
Nhìn chung, Vogel lưu ý, kết quả cho thấy quá trình tiến hóa đa bội diễn ra chậm hơn so với dự kiến. "Mặc dù mọi trường hợp có thể sẽ khác nhau, nhưng ít nhất là đối với B. hybridum, nó diễn ra chậm hơn rất nhiều so với dự đoán của tôi thậm chí sau một triệu năm".
