Welwitschia – loài thực vật ‘không thể chết’ tiết lộ bí mật di truyền của nó

0
145

Các bí ẩn trong bộ gen của Welwitschia đã mang lại cho nó khả năng tồn tại trong một sa mạc khắc nghiệt trong hàng nghìn năm.

Welwitschia, một loại cây hai lá mầm mọc ở các vùng của sa mạc Namib ở miền nam châu Phi, có thể sống hơn 1.000 năm.Tín dụng...Tao Wen
Welwitschia, một loại cây hai lá mầm mọc ở các vùng của sa mạc Namib ở miền nam châu Phi, có thể sống hơn 1.000 năm.Tín dụng…Tao Wen

Những chiếc lá sống lâu nhất trong vương quốc thực vật chỉ có thể được tìm thấy ở sa mạc khắc nghiệt, khô cằn ở ranh giới giữa miền nam Angola và miền bắc Namibia.

Tất nhiên, sa mạc không phải là nơi hiếu khách nhất để sinh vật phát triển, chứ đừng nói đến những loại cây xanh tốt, nhưng Namib – sa mạc lâu đời nhất thế giới với lượng mưa ít hơn 2 inch mỗi năm – là nơi Welwitschia gọi là nhà.

Trong tiếng Afrikaans, loài cây này được đặt tên là “tweeblaarkanniedood”, có nghĩa là “hai chiếc lá không thể chết”. Cách đặt tên rất phù hợp vì: Welwitschia chỉ mọc hai lá – và liên tục – trong suốt cuộc đời có thể kéo dài hàng thiên niên kỷ.

Andrew Leitch, một nhà di truyền học thực vật tại Đại học Queen Mary, London, cho biết: “Hầu hết lá cây của các loài thực vật đều phát triển. Loài cây này có thể sống hàng nghìn năm, và nó không ngừng phát triển. Khi nó ngừng phát triển, nó sẽ chết. ”

Một số cây lớn nhất được cho là đã hơn 3.000 năm tuổi, với hai lá mọc đều đặn kể từ đầu thời đại đồ sắt, khi bảng chữ cái Phoenicia được phát minh và David được trao vương miện nhà Vua israel.

Theo một số nhà nghiên cứu, Welwitschia không có nhiều điều để xem xét. Hai chiếc lá xơ của nó, bị vần vò bởi những cơn gió sa mạc khô và làm thức ăn của những con vật khát nước, khiến chúng bị xé nhỏ và cuộn tròn theo thời gian, làm cho Welwitschia nhìn giống như loài bạch tuộc. Một đạo diễn từ thế kỷ 19, Kew Gardens ở London nhận xét, “đó là một trong những cây tuyệt vời nhất từng được mang đến đất nước này và là một trong những cây xấu xí nhất.

Nhưng kể từ khi nó được phát hiện lần đầu tiên, Welwitschia đã thu hút các nhà sinh vật học bao gồm Charles Darwin và nhà thực vật học Friedrich Welwitsch, người mà loài cây này được đặt tên theo: Người ta nói rằng khi Welwitsch lần đầu tiên bắt gặp loài cây này vào năm 1859, “anh ta không thể làm gì ngoài việc quỳ xuống mặt đất đang nóng bỏng và nhìn vào nó, một nửa sợ hãi vì sợ đó là một hình ảnh của trí tưởng tượng.

So sánh hệ thống phiên mã giữa mô phân sinh và mô sinh dưỡng. Một hình ảnh cho thấy tính năng chính của một cây Welwitschia chỉ ra vị trí của các mô phân sinh cơ bản... Ảnh: nature.com
So sánh hệ thống phiên mã giữa mô phân sinh và mô sinh dưỡng. Một hình ảnh cho thấy tính năng chính của một cây Welwitschia chỉ ra vị trí của các mô phân sinh cơ bản… Ảnh: nature.com

Trong một nghiên cứu được công bố trong tháng này trên Tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu báo cáo một số bí mật di truyền đằng sau hình dạng độc đáo, tuổi thọ cực cao và khả năng phục hồi sâu sắc của Welwitschia.

Jim Leebens-Mack, một nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Georgia không tham gia vào nghiên cứu, cho biết nó “cung cấp cho chúng tôi một nền tảng để hiểu rõ hơn cách Welwitschia đã làm tất cả những điều điên rồ.” Bộ gen Welwitschia phản ánh môi trường xung quanh khô cằn và kém chất dinh dưỡng của cây. Và lịch sử di truyền của nó dường như tương ứng với lịch sử môi trường.

Khoảng 86 triệu năm trước, sau một sai lầm trong phân chia tế bào, toàn bộ bộ gen Welwitschia đã tăng gấp đôi trong thời gian khô cằn có chiều hướng gia tăng và hạn hán kéo dài trong khu vực – và có thể là sự hình thành của chính sa mạc Namib, Tao Wan, một nhà thực vật học tại Vườn bách thảo Fairy Lake ở Thâm Quyến, Trung Quốc, và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Ông nói rằng “căng thẳng cực độ” thường liên quan đến các sự kiện sao chép bộ gen như vậy.

Tiến sĩ Leitch, đồng tác giả của nghiên cứu, nói thêm rằng các gen trùng lặp cũng được giải phóng từ các chức năng ban đầu của chúng, có khả năng tiếp nhận những gen mới.

Tuy nhiên, có nhiều vật liệu di truyền đi kèm với một cái giá phải trả, tiến sĩ Wan nói. “Hoạt động cơ bản nhất cho cuộc sống là sao chép DNA, vì vậy nếu bạn có bộ gen lớn, nó thực sự tốn năng lượng để duy trì sự sống,” đặc biệt là trong một môi trường khắc nghiệt như vậy.

Để làm cho vấn đề tồi tệ hơn, một lượng lớn bộ gen của Welwitschia là các chuỗi DNA tự sao chép “rác” (junk) được gọi là retrotransposons (Nhân tố chuyển vị ngược). “Bây giờ rác đó cần phải được nhân rộng, sửa chữa,” Tiến sĩ Leitch nói.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một “vụ nổ” hoạt động retrotransposons một đến hai triệu năm trước, rất có thể là do căng thẳng nhiệt độ tăng lên. Nhưng để chống lại điều này, bộ gen Welwitschia đã trải qua những thay đổi biểu sinh rộng rãi làm im lặng các trình tự DNA rác này, thông qua một quá trình gọi là methyl hóa DNA.

Quá trình này, cùng với các lực lượng chọn lọc khác, đã giảm đáng kể kích thước và chi phí bảo trì năng lượng của thư viện DNA trùng lặp của Welwitschia, Tiến sĩ Wan nói, mang lại cho nó “một bộ gen rất hiệu quả, chi phí bảo trì năng lượng thấp”. (“a very efficient, low-cost genome.”)

Nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng Welwitschia có những thay đổi di truyền khác ẩn trên lá của nó.

Lá thực vật thường mọc từ đỉnh của cây, hoặc ngọn nhọn của thân và cành của nó. Nhưng đầu phát triển ban đầu của Welwitschia chết, và thay vào đó, lá đổ ra khỏi khu vực dễ bị tổn thương của giải phẫu thực vật được gọi là mô phân sinh cơ bản, cung cấp các tế bào tươi cho cây đang phát triển, Tiến sĩ Wan nói.

Một số lượng lớn các bản sao hoặc tăng hoạt động của một số gen liên quan đến sự trao đổi chất hiệu quả, tăng trưởng tế bào và khả năng phục hồi trong lĩnh vực này có thể giúp nó tiếp tục phát triển dưới áp lực môi trường cực đoan. Trong một thế giới ấm lên, những bài học di truyền mà Welwitschia cung cấp có thể giúp con người nhân giống cây trồng cứng hơn, ít khát hơn.

Tiến sĩ Leebens-Mack nói: “Khi chúng ta thấy rằng thực vật có thể sống lâu trong môi trường này và bảo tồn DNA và protein của nó, tôi thực sự cảm thấy như chúng ta có thể tìm thấy gợi ý về cách cải thiện nông nghiệp. ”

Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu dựa trên sự tò mò. Khi bạn gặp hai chiếc lá mọc trong sa mạc chống lại tất cả các kiến thức bạn đã từng biết, hãy quỳ xuống nền đất nóng và xem xét kỹ hơn.

Tiến sĩ Leitch nói: “Từ những điều kỳ lạ, bạn khám phá ra những điều kỳ lạ giúp bạn hiểu những điều mà bạn không biết mình không hiểu. ”

XEM THÊM >> Những điều thú vị về cây phong (maple tree)

Nguồn:
_https://www.nytimes.com/2021/07/31/science/plant-leaves-welwitschia.html
_https://www.nature.com/articles/s41467-021-24528-4

Bình luận bằng Facebook

comments