Giới khoa học kinh ngạc trước bộ gen của loài hoa thối rữa

Loài hoa lớn nhất thế giới, Rafflesia arnoldii, là một loài ký sinh dành phần lớn thời gian sống bên trong các cây dây leo. Nghiên cứu mới về gen cho thấy rằng nhóm thực vật kí sinh này này đã mất một phần đáng kinh ngạc trong gen của chúng.

Ban đầu chúng vô hình. Giữa các cánh rừng quê hương chúng tại Đông Nam Á, chúng mọc như những sợi tế bào mỏng — những sợi ngoại lai đôi khi dài tới hơn 10 mét len lỏi qua các mô quan trọng của vật chủ, hút chất dinh dưỡng từ những vật chủ này. Ngay cả dưới kính hiển vi, ta cũng khó mà phân biệt được các chuỗi tế bào đơn lẻ với tế bào của cây dây leo vật chủ. Chúng có vẻ giống một loài nấm hơn là một loài thực vật.

Nhưng khi bản năng sinh sản thức tỉnh, các thành viên của họ Rafflesiaceae nở ra những “bông hoa xác thối” đỏ tươi, không thân, khổng lồ, được bao phủ bởi các chấm bi, toả ra mùi thối như mùi thịt rữa nhằm thu hút ruồi bọ đến thụ phấn. Những bông hoa của một loài trong họ này: Rafflesia arnoldii, là thứ hoa lớn nhất trên thế giới — mỗi bông có thể đạt đường kính hơn một mét và nặng tận 10 kg, gần bằng một em bé vừa chập chững biết đi.

Hơn một thập kỷ trước, những loài kí sinh thuộc họ Rafflesiaceae đã lọt vào tầm ngắm của Jeanmaire Molina, một nhà thực vật tiến hóa tại Đại học Long Island, Brooklyn. Bà tự hỏi liệu bộ gen của chúng có kỳ lạ như hình dạng bên ngoài của chúng hay không. Các nghiên cứu ban đầu khẳng định linh cảm của bà đã đúng. Theo những gì Molina và các đồng nghiệp mô tả trong một bài báo được công bố vào năm 2014 trên tạp chí Molecular Biology and Evolution, họ đã tổng hợp thành công DNA ty thể từ một loài Rafflesia ở Philippines. Nhưng họ không thể xác định bất kỳ gen chức năng nào từ lục lạp của nó. Loài cây này dường như đã loại bỏ toàn bộ bộ gen lục lạp của chúng.

Đây là điều gần như không thể tưởng tượng nổi. Chúng ta thường biết đến lục lạp như một bào quan với chức năng quang hợp,  hấp thụ năng lượng từ  ánh sáng để tạo ra thức ăn; nhưng cũng giống như tất cả các bào quan tạo ra thức ăn khác (Gọi chung là lạp thể — plastid), chúng chứa các gen liên quan đến nhiều quá trình quan trọng của tế bào. Molina lưu ý, ngay cả ký sinh trùng sốt rét vẫn mang bộ gen lạp thể dẫu tổ tiên quang hợp cuối cùng của chúng tồn tại cách đây hàng trăm triệu năm.

Một nhóm nghiên cứu độc lập từ Đại học Harvard đã xác nhận phát hiện gây sốc này. Bản hác thảo bộ gen một chi khác của họ Rafflesiaceae mới được họ công bố trên tạp chí Current Biology chứa đầy những thông tin bất ngờ và cho thấy ký sinh trùng có thể đi xa tới đâu trong việc loại bỏ các gen thừa và thu nhận các gen mới hữu ích từ vật chủ. Nó cũng đào sâu thêm những bí ẩn về vai trò của các yếu tố di truyền có tính di động cao không mã hóa protein trong việc tạo ra những thay đổi tiến hóa. Có lẽ bài học lớn nhất được rút ra từ  nghiên cứu này, đó là hãy còn nhiều điều chúng ta cần tìm hiểu về hệ gen, đặc biệt là ở thực vật, và ký sinh trùng — một loại sinh vật chiếm hơn 40% tổng số loài đã biết.

Giống như Molina, Charles Davis, giáo sư sinh vật học và tiến hóa tại Đại học Harvard và là người phụ trách về thực vật có mạch tại phòng tiêu bản Herbaria thuộc Đại học Harvard, đã bị thu hút vào việc nghiên cứu họ Rafflesiaceae  vì chúng là loài “lôi cuốn và bí ẩn nhất trong số một phần tư triệu loài thực vật có hoa,” ông nói.

Ông đã nỗ lực hé lộ nhiều bí ẩn của chúng trong gần 15 năm, nhưng trình tự bộ gen trung tâm luôn có vẻ khó nắm bắt. Cuối cùng, nghiên cứu sinh tiến sĩ của ông (hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ về sinh học hệ thống tại Đại học California, Riverside), Liming Cai, đã tiếp nhận dự án, với sự giúp đỡ của nhóm tin học của trường và giám đốc tin sinh học, Timothy Sackton. Tổ nghiên cứu sau cùng đã có thể tập hợp một phác thảo về gen của Sapria himalayana, một loài có kích thước hoa to bằng đầu người.

Bộ gen của Sapria tuân theo một số xu hướng chung có thể quan sát được ở nhiều loài thực vật ký sinh khác (và ở các loài ký sinh nói chung). Giống như chúng, Sapria đã từ bỏ nhiều gen được coi là thiết yếu đối với những họ hàng sống tự do (sống bên ngoài vật chủ) của nó. Bởi ký sinh trùng ăn cắp từ vật chủ, về cơ bản chúng “thuê ngoài” (outsource) các công việc của quá trình trao đổi chất, nên chúng không cần toàn bộ các bộ phận sinh hóa chuyển động của một tế bào thực vật độc lập.

Tuy nhiên, Davis vẫn sốc khi thấy phân nửa số gen được bảo tồn rộng rãi trong các dòng thực vật không còn ở Sapria. Con số này nhiều hơn hai lần số gen bị mất từ các loài thực vật ký sinh như một loại cây thuộc chi tơ hồng (dodder) (chi Cuscuta) và gấp bốn lần số gen bị mất ở giống cỏ phù thủy giết hại ngũ cốc (chi Striga). “Chúng tôi biết rằng sẽ có sự thất thoát,” ông nói, “nhưng không ngờ rằng sẽ tới mức 44% bộ gen.”

Và điều đó cộng với việc xóa bỏ toàn bộ bộ gen lạp thể mà công trình nghiên cứu của Molina về Rafflesia đã chỉ ra. Các cơ quan duy nhất khác được biết đến về việc bỏ bộ gen lục lạp là tảo đơn bào trong chi Polytomella, chúng đã từ bỏ quá trình quang hợp nhằm tối ưu việc hấp thụ chất dinh dưỡng từ các vùng nước xung quanh chúng.

Molina cho biết cô thấy “được an ủi” khi phát hiện của nhóm mình được ghi nhận, nhưng vẫn cảm thấy khó hiểu, bởi Rafflesia dường như vẫn tạo ra các khoang chứa lạp thể của chúng. “Khi chúng tôi thực hiện các nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử, chúng tôi đã tìm thấy các lạp thể,” cô ấy nói, “vậy thật kỳ lạ khi các lạp thể lại trống rỗng.”

Sapria dường như cũng đã lược bỏ các góc di truyền khác, các thực vật này đã xóa các đoạn DNA không mã hóa trong nhiều gen. Những vùng này, được gọi là intron, nằm xen kẽ giữa các phần của gen mã hoá protein thực sự được tạo ra.

Dường như Sapria và họ hàng của nó chỉ đơn giản là làm cho bộ gen của chúng tinh gọn hơn. Nghịch lý thay, bộ gen của Sapria rất lớn: ước tính tổng cộng có khoảng 3,2 đến 3,5 gigabase DNA, gần bằng với bộ gen người. Thứ gì đang lấp đầy bộ gen của chúng?

Trước nhất, bộ gen này chứa đầy các gen bị đánh cắp. Nhóm của Davis ước lượng ít nhất 1,2% gen của thực vật đến từ các loài khác, đặc biệt là các loài vật chủ từ xưa tới nay. Con số này thoạt nghe có vẻ không mấy ấn tượng, nhưng kiểu trao đổi gen ngang này được coi là đặc biệt hiếm thấy bên ngoài vi khuẩn. Vì vậy, ngay cả một phần trăm gen phát sinh theo cách này cũng làm người ta rướn mày ngạc nhiên.

Bởi những ký sinh trùng này đã ăn cắp gen trong hàng thiên niên kỷ, Cai lưu ý, bộ gen của chúng cứ như "một nghĩa địa DNA khổng lồ." Bằng cách cẩn thận đào xới nghĩa địa đó và so sánh kết quả với bộ gen của 10 loại dây leo có vẻ như là vật chủ tiềm năng, Cai và các đồng nghiệp đã có thể soi ngược thời gian. Bà nói: “Những gen được chuyển theo chiều ngang này đang đóng vai trò là hóa thạch DNA.”

Qua những "hóa thạch" này, họ khai quật được “một nhóm ký sinh trùng — vật chủ đã tuyệt chủng từ giữa kỷ Phấn trắng,” cô nói. Hiện nay, chừng bốn tá loài đã biết của họ Rafflesiaceae đều chứa DNA các loài dây leo từ một chi duy nhất là Tetrastigma. Nhưng rất lâu trước khi ký sinh trùng gá vào Tetrastigma, chúng dường như đã xâm nhập và ăn trộm từ các cây peppervine (chi Ampelopsis). Tất cả thông tin lịch sử sinh thái này không thể suy luận từ hóa thạch đá: Hoa của các loài kí sinh không tồn tại lâu và phần còn lại mỏng như tơ của cơ thể thực vật của chúng khó có khả năng hóa thạch.

Tuy nhiên, các gen bị đánh cắp chỉ đại diện cho một phần nhỏ trong bộ gen khổng lồ của Sapria. Phần lớn bao gồm các bản sao của trình tự DNA được gọi là các phần tử khả chuyển vị (còn được gọi là transposon hoặc “gen nhảy”). Sackton cho rằng: “Bộ gen của loài thực vật này giống như 90% gồm các yếu tố lặp lại.”

Sự trùng lặp ở mức độ cao trên thực tế là lý do tại sao Davis phải vật lộn rất lâu để phác thảo sơ đồ gen cho Sapria. Mãi đến khoảng thập kỷ trước, DNA là một cản trở lớn đối với công nghệ giải trình tự bộ gen bởi có quá nhiều khoảng lặp khó phân biệt. “Cứ như đang cố gắng lắp một bức tranh ghép về bầu trời hoàn toàn trong xanh, nơi mọi mảnh ghép đều có hình dạng giống hệt nhau,” Sackton nói. "Chẳng có cách nào để làm điều đó."

Nhưng Cai và các đồng nghiệp đã có thể tận dụng các công nghệ giải trình tự hiện tại, có thể xử lý các đoạn DNA dài hơn (và do đó đặc biệt hơn). Dẫu vậy, họ chỉ có thể tái tạo lại ước tính là 40% bộ gen của Sapria — phần còn lại vẫn có tính trùng lặp quá cao.

Số lượng lớn của các phần tử khả chuyển vị là một phát hiện đáng chú ý, Saima Shahid, nhà sinh vật học thực vật thuộc Trung tâm Khoa học Thực vật Donald Danforth ở St. Louis, người nghiên cứu chức năng của các phần tử khả chuyển vị trong thực vật cho biết. Chúng gấp đôi những gì được nhìn thấy trong cây tơ hồng. Và trong các thực vật kí sinh khác đã được giải trình tự, các yếu tố chiếm ưu thế là “tái chuyển vị,” di chuyển trong bộ gen bằng việc trước hết được phiên mã thành RNA. Tuy nhiên, Sapria chủ yếu chứa đầy các chuyển vị DNA liên tục sao chép và dán trực tiếp vào hệ gen. “Đó là một điều gì đó rất thú vị và khác thường,” Shahid nói.

Nhưng tại sao Sapria lại có nhiều gen nhảy như vậy ngay từ đầu? Không ai dám chắc, nhưng câu trả lời có thể thay đổi hiểu biết của chúng ta về bộ gen của loài kí sinh.

Các phần tử khả chuyển vị được coi là các gen “ích kỷ;”; chúng tái tạo ngay cả khi phải trả giá bằng bộ gen mà chúng chiếm giữ. Vì lý do đó, các bộ gen vật chủ thường kiềm chế biểu hiện của chúng. Shahid nói: “Hầu hết các trường hợp, chúng đều bị tắt bỏ. Có vẻ như thông lệ ấy đã bị loại bỏ trong họ Rafflesiaceae, hoặc các loài ký sinh nhận ra một số lợi ích khi cho phép các yếu tố này nhân bản xung quanh.”

Cai, Davis và Sackton linh cảm rằng sự dư thừa các phần tử chuyển vị là hệ quả của cuộc sống biệt lập mà những loài ký sinh này hướng đến. Do họ Rafflesiaceae chỉ xâm nhập vào dây leo Tetrastigma, mỗi mảnh dây leo thực tế là một ốc đảo cô lập những cư dân ký sinh của nó. Ở những quần thể nhỏ khiến  mức độ tăng trưởng bị hạn chế và thưa thớt dòng gen từ bên ngoài, các đặc điểm di truyền thậm chí ít hữu ích hơn có thể trở nên phổ biến hơn thông qua ngẫu nhiên tuyệt đối. Điều đó có thể có nghĩa là ngay cả những bản sao có hại của các phần tử khả chuyển vị cũng “tích lũy theo thời gian,” Cai nói, cho đến khi “chúng kết thúc với những cấu trúc gen quá đỗi kỳ dị này.”

Một khả năng khác có thể là loài ký sinh không thể quản lý các gen nhảy của chúng. Một số gen nhảy này đến từ vật chủ và chúng có thể khác biệt đến mức bộ máy di truyền của loài ký sinh không thể nhận ra và tắt chúng ngay lập tức. “Về cơ bản, nó (gen nhảy) giống như một loài xâm lấn,” Sackton cho biết.

Cũng có thể bởi loài ký sinh đã thu được thật nhiều vật liệu di truyền, chúng phát triển khả năng thích nghi để nâng cao khả năng chứa đựng thêm gánh nặng của DNA vô dụng, vì vậy đơn giản là không có đủ áp lực chọn lọc để loại bỏ chúng khỏi những gen nhảy này.

Nhưng đối với Shahid, thật vô lý khi một bộ gen với nhiều biểu hiện của sự tối ưu — với việc xóa bỏ gen, không mã hóa trình tự bên trong gen và toàn bộ bộ gen lạp thể — lại có thể chấp nhận đeo thêm quá nhiều gánh nặng gen vô dụng. Tệ hơn nữa, các yếu tố chuyển vị rất nguy hiểm: “Cần phải tiêu tốn rất nhiều năng lượng để tắt chúng đi,” cô nói, bởi có nguy cơ chúng sẽ gây lãng phí mọi thứ. Cô ấy nhận thấy nhiều khả năng những chuyển vị này đang làm điều gì đó cho ký sinh trùng; vấn đề là điều gì?

Sự hiện diện của chúng có thể gắn liền với tất cả những gen bị đánh cắp đó. Khi các phần tử chuyển vị nhảy, Shahid giải thích, chúng thường mang theo các đoạn DNA gần đó. Cô nói: “Những yếu tố có thể chuyển vị này có thể giúp chúng mang các đoạn gen và sau đó chèn các đoạn gen vào bộ gen của chính chúng.”

Sau đó, các phần tử chuyển vị có thể là động cơ thúc đẩy quá trình chuyển gen ngang hàng mà loài ký sinh cần để tồn tại. Ví dụ: chúng có thể giúp loài ký sinh ăn cắp một số chất điều hòa gen quan trọng của vật chủ.

Trong một bài báo vào năm 2018 trên tạp chí Nature, Shahid và các đồng nghiệp của cô chỉ ra các loài thực vật ký sinh như cây tơ hồng cánh đồng (field dodder) xuất các phân tử microRNA nhỏ vào các tế bào vật chủ xung quanh dưới dạng tín hiệu “tắt” đối với một số gen của vật chủ — có lẽ là để tránh các hệ thống phản vệ có thể cản trở quá trình trộm cắp tài nguyên của vật chủ. Những hoạt động điều khiển microRNA đó có thể đã xuất hiện ở ký sinh trùng với sự trợ giúp của gen nhảy. (Tuy nhiên, vẫn chưa ai khảo sát được liệu Sapria và các họ hàng của nó có xuất microRNA trong giai đoạn bất hoạt của chúng hay không.)

Phần tử chuyển vị có thể ảnh hưởng đến điều hòa gen theo những hướng khác. Ví dụ: khi được chèn vào các intron, chúng có thể tăng cường sự biểu hiện của gen hoặc có thể hướng dẫn các chất ức chế tắt gen đó. Ở Sapria, không phải tất cả các intron đều bị giảm chiều dài: Một số được mở rộng đến gần 100 kilobase khiến chúng trở thành phần intron dài nhất được biết đến trong bất kỳ loài thực vật nào. Và các phần tử khả chuyển vị chịu trách nhiệm cho 74% của tất cả sự mở rộng.

Các phần tử khả chuyển vị cũng có thể khiến các đoạn của bộ gen di chuyển xung quanh, điều này có thể gây bất ổn một cách nguy hiểm — nhưng cũng có thể dẫn đến sự sao chép và đổi mới gen, Shahid nói. Điều đó có thể giúp ký sinh trùng đi trước một bước so với khả năng phòng thủ của vật chủ. Các phần tử khả chuyển vị cũng có thể chịu trách nhiệm về một số đặc điểm độc đáo của họ Rafflesiaceae: Molina bắt đầu tự hỏi liệu chúng có “liên quan gì tới những bông hoa có kích thước lớn hay không.”

Với tình trạng  thiếu hụt thông tin, không thể biết được có bao nhiêu bộ đệm khổng lồ của các phần tử khả chuyển vị trong họ Rafflesiaceae là hữu dụng và bao nhiêu chỉ là sự lộn xộn trong bộ gen. Shahid cho rằng có một cách để đi đến cùng vấn đề này, đó là có thể là xem xét kỹ hơn vị trí của các loại phần tử khả chuyển vị khác nhau trong mối quan hệ với các đặc điểm bộ gen khác. Điều đó có thể giúp tiết lộ liệu các phần tử có đóng vai trò quan trọng trong sự biểu hiện gen hay không. Cô ấy cũng muốn xem liệu (hoặc đúng hơn là khi nào) những phần tử khả chuyển vị này đang được biểu hiện, vì điều đó cũng có thể cung cấp manh mối cho các chức năng tiềm ẩn của chúng trong bộ gen.

Quá trình nghiên cứu sâu hơn về những điều kỳ lạ của loài hoa này có thể dạy chúng ta nhiều điều về mọi thứ, từ lạp thể đến gen nhảy, nhưng sự khan hiếm của loài thực vật khiến việc khảo sát những câu hỏi này thêm nhiều phần gian nan. Molina giải thích rằng phải đi bộ xuyên những khu rừng rậm nguy hiểm hàng giờ để tìm kiếm chúng. Ở Philippines, chúng được tìm thấy trong các khu rừng nơi phiến quân có vũ trang thường ẩn náu — "Chúng tôi phải phối hợp với thị trưởng để đảm bảo an toàn", cô nói. Gạt câu chuyện thực địa mệt mỏi sang một bên thì các quốc gia nơi những loài hoa này mọc thường hạn chế xuất khẩu chúng, một phần vì loài thực vật này đang ở mức cực kỳ nguy cấp.

Do sự quý hiếm của chúng, Molina đang làm việc với Vườn Bách thảo Hoa Kỳ ở Washington, D.C., để nuôi cấy những loài ký sinh này và những vật chủ của chúng trong khu vực nội địa. Việc để chúng phát triển và nở hoa ở Washington sẽ thu hút được sự chú ý của công chúng, và cô cho rằng việc để mọi người nhìn thấy tận mắt sẽ hỗ trợ các nỗ lực bảo tồn và tạo điều kiện cho nhiều nghiên cứu chi tiết hơn. Tuy nhiên, tới bây giờ, những cây ký sinh đang nới rộng định nghĩa về việc thực vật có thể vẫn đang giữ trong mình bí mật của chúng.