Hành trình từ giao phấn đến tự thụ phấn của thực vật

Có những loài thực vật có hoa có khả năng tự thụ phấn, nghĩa là chúng có thể tự thụ tinh mà không cần bạn tình. Một lợi thế sinh học của tự thụ phấn, còn được gọi là “tự thụ phấn”, là một cá thể trong số những cây này có thể tự mình sinh sống trên toàn bộ khu vực. Tuy nhiên, selfing cũng có những hậu quả tiêu cực rõ ràng đối với thực vật – trước hết là làm mất đi tính biến đổi di truyền và khả năng sinh học của loài. Do đó, nhiều loài thực vật có hoa có sẵn cơ chế để ngăn chặn quá trình tự thụ phấn, ví dụ như bằng cách nhận biết và loại bỏ phấn hoa của chính chúng. Các nhà sinh học gọi đây là sự không tương thích của bản thân.

Đôi khi, khả năng tự không tương thích bị mất đi một cách tự nhiên và thực vật có được khả năng tự thụ phấn. Ví dụ, các trường hợp đã biết bao gồm một số loài thuộc họ cải. Trong họ thực vật này, các gen đóng vai trò quan trọng trong việc khiến thực vật tự không tương thích đã được biết rõ. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu cho rằng các đột biến mất chức năng ở các “gen S” này giải thích cho việc mất khả năng tự tương thích. Trong một nghiên cứu lai được công bố trên tạp chí Nature Communications , các nhà sinh thái học tiến hóa từ Konstanz đưa ra bằng chứng về một cơ chế khác ở cải xoong cát (Arabidopsis lyrata), liên quan đến cái được gọi là gen biến đổi.

“Các loài tự thụ phấn có tiềm năng gia tăng để thiết lập các quần thể tự duy trì bên ngoài phạm vi tự nhiên của chúng với tư cách là loài xâm lấn và có thể tồn tại mà không cần côn trùng thụ phấn. Do đó, hiểu rõ hơn về các cơ chế có thể dẫn đến việc các loài thụ phấn chéo trở thành loài tự thụ phấn có ý nghĩa sinh thái cao,” Marc Stift, nhà sinh thái học tiến hóa tại Đại học Konstanz và là một trong những tác giả nghiên cứu giải thích.

Một cái gì đó không hoàn toàn phù hợp

Rằng một gen biến đổi – tức là một gen ảnh hưởng đến sự biểu hiện của một gen khác, tách biệt về mặt không gian – có thể đóng một vai trò trong cải xoong cát đã bị nghi ngờ. Tuy nhiên, cho đến nay không có dữ liệu để xác nhận ý tưởng này. Do đó, các nhà nghiên cứu có trụ sở tại Konstanz đã tiến hành một thí nghiệm mở rộng: Họ lai các cá thể từ các quần thể cải xoong cát tự tương thích và không tương thích với nhau trong tất cả các kết hợp có thể. Sau đó, họ xác định hệ thống sinh sản của hơn 1500 thế hệ con cháu và liên kết điều này với dữ liệu di truyền về các biến thể gen S (S-allele) mà những thế hệ con cháu này được thừa hưởng.

Một trong những phát hiện của nhà nghiên cứu là sự giao thoa giữa các loài thụ phấn chéo và các loài tự thụ phấn có thể dẫn đến cả hai dạng hệ thống sinh sản trong thế hệ con cháu, với các alen S từ đối tác tự không tương thích là rất quan trọng. Do đó, cũng ở cải xoong cát, gen S đóng vai trò làm mất khả năng tự tương thích. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu không tìm thấy bằng chứng cho thấy vai trò chức năng này được giải thích bằng một đột biến mất chức năng.

Nói cách khác, các gen tự nhận biết bằng cách nào đó đã tham gia vào việc phá vỡ tính không tương thích của bản thân ở cải xoong cát tự thân, nhưng không theo cùng một cơ chế như đã biết ở các loài khác. Ngược lại: “Trên thực tế, các thí nghiệm của chúng tôi cho thấy thế hệ con cháu có các gen tự nhận diện giống hệt nhau, trong đó một số gen không tương thích với nhau và một số khác hoàn toàn có khả năng sinh sản,” Yan Li, người đã thực hiện các thí nghiệm lai cho nghiên cứu tiến sĩ của mình tại Konstanz. Điều này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ cho cơ chế thay thế chưa được chứng minh trước đây liên quan đến gen điều chỉnh. Stift cho biết thêm: “Bây giờ chúng ta sẽ phải tìm hiểu xem cơ chế này chỉ có ở cải xoong cát hay nó cũng dẫn đến sự chuyển đổi từ thụ phấn chéo sang tự thụ phấn ở các loài thực vật khác”.

Trích dẫn:

• Xuất bản gốc: Y. Li, E. Mamonova, N. Köhler, M. van Kleunen và M. Stift (2023) Phân tích hiện tượng tự không tương thích do tương tác di truyền giữa một alen S cụ thể và một biến đổi gen không liên kết. Truyền thông Tự nhiên; DOI: 10.1038/s41467-023-38802-0
• Nghiên cứu chéo của các nhà sinh thái học tiến hóa Konstanz về nguyên nhân di truyền của việc mất khả năng tự tương thích ở cây họ cải
• Khoa học Mở: Xuất bản gốc trên tạp chí Nature Communications là truy cập mở ; có thể tải xuống dữ liệu sao chép và tập lệnh được sử dụng cho các phân tích từ Figshare .
• Tài trợ: Hội đồng học bổng Trung Quốc (CSC)