Tế bào thực vật hoán đổi các bào quan

Các thí nghiệm di truyền đã chỉ ra rằng, khi thực vật được ghép với nhau, toàn bộ bộ gen có thể di chuyển giữa vật chủ và vật ghép, nhưng không rõ vật liệu di truyền đã di chuyển như thế nào. Trong một nghiên cứu được công bố ngày 1 tháng 1 trên tạp chí Science Advances ,  các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng toàn bộ bào quan có thể di chuyển giữa các tế bào thực vật, mang theo bộ gen của chúng trong quá trình di chuyển.

Trong các nghiên cứu trước cuộc nghiên cứu này, “không có cách nào để giải thích một cách hợp lý cách toàn bộ bộ gen vượt qua, ngoại trừ việc nó đi vào một bào quan. Nếu không, bạn sẽ thấy sự tái tổ hợp di truyền giữa bộ gen đến và bộ gen cư trú, ”Pal Maliga, nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Rutgers, người không tham gia nghiên cứu, cho biết. Nhân, ti thể và plastids - một nhóm các bào quan nhỏ bao gồm lục lạp - tất cả đều chứa vật chất di truyền. Do đó, các nhà nghiên cứu đưa ra suy luận rằng các bộ gen di chuyển qua các bào quan, ông giải thích, “nhưng bài báo này cho thấy rất hay các chi tiết là gì. Tôi rất vui khi thấy rằng những giả định đã có để giải thích sinh học thực sự là có thật. "

Một nhóm nghiên cứu do Ralph Bock thuộc Viện Sinh lý thực vật phân tử Max Planck dẫn đầu đã chỉ ra trong một nghiên cứu được công bố vào năm 2009 rằng cây thuốc lá ghép có thể chia sẻ toàn bộ bộ gen. Chuyển gen theo chiều ngang - khi vật chất di truyền được truyền giữa các cá thể thông qua một số phương pháp khác ngoài thụ tinh - đã được chứng minh là ảnh hưởng đến sự tiến hóa của thực vật ở nhiều cấp độ khác nhau, bao gồm cả việc chia sẻ các gen có lợi, nhưng sự di chuyển của toàn bộ bộ gen ít phổ biến và được hiểu rõ hơn nhiều. Trong khi các nghiên cứu ban đầu và sau đó gợi ý rằng DNA được chuyển có thể đến từ các bộ gen chứa trong các bào quan đang chuyển động, các nhà nghiên cứu không thể chắc chắn rằng DNA trần không được chia sẻ thành nhiều phần lớn.

Nhập Alexander Hertle, một postdoc tại viện với nhiều kinh nghiệm soi kính hiển vi. Anh và Bock đến với nhau để kết hợp những bằng chứng di truyền nhiều năm của phòng thí nghiệm Bock để hỗ trợ sự di chuyển của bào quan và kiến ​​thức chuyên môn về hình ảnh của Hertle. Hertle nói: “Tôi quan tâm đến việc xem điều đó có thực sự đúng hay không, những gì [Bock] thể hiện trong các bài báo của anh ấy.

Trong nghiên cứu hiện tại, các nhà nghiên cứu đã sử dụng cây thuốc lá có chứa gen kháng kháng sinh và chất phóng xạ huỳnh quang trong hệ gen nhân và một dòng khác có gen kháng kháng sinh khác và chất phóng xạ huỳnh quang trong hệ gen lục lạp. Khi họ ghép các cây với nhau, kết quả là cây phát triển trên môi trường sinh trưởng có chứa cả kháng sinh và tạo ra cả hai chất phóng xạ huỳnh quang. Những phát hiện này phù hợp với các nghiên cứu trước đó, nhưng vẫn không cho phép các nhà khoa học phân biệt giữa việc chuyển giao thông tin bộ gen qua các bào quan hay DNA trần.

Để tạo ra sự khác biệt này, các tác giả đã giải phẫu mô ở điểm nối mảnh ghép và chụp ảnh các tế bào, cả tế bào sống và sau khi cố định. Điều này cho thấy các plastids gần các lỗ trong thành tế bào và các điểm nơi tế bào chất của tế bào này nhô ra thành tế bào khác. Các nhà nghiên cứu cũng tìm thấy các plastids nhỏ hơn các plastid thường trú - đủ nhỏ để di chuyển qua các lỗ giữa các tế bào. Trong quá trình chụp ảnh trực tiếp, những plastids nhỏ này di chuyển một cách vô ưu từ ô này sang ô khác. Nhóm nghiên cứu cũng chỉ ra rằng những bào quan di chuyển này chứa DNA, xác nhận rằng chúng có thể là nguồn chuyển gen mà các nhà nghiên cứu đã quan sát về mặt di truyền.

Mặc dù họ không thể loại trừ hoàn toàn rằng DNA trần trụi đang di chuyển giữa các tế bào, nhưng “những gì chúng tôi đã thấy là trực tiếp. . . là các bào quan có thể đi từ tế bào này sang tế bào khác, ”Hertle nói.

"Câu hỏi nổi bật là, tại sao điều này thực sự xảy ra?" Charles Melnyk, một nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Khoa học Nông nghiệp Thụy Điển, người không tham gia nghiên cứu cho biết. Các tác giả đã xem xét điều này trong bối cảnh ghép, được kết tủa bằng cách làm vết thương cây, ông nói thêm. “Ngay khi một tế bào thực vật bị hư hại, có vẻ như nó sẽ thay đổi các đặc tính của thành tế bào, và sau đó những thay đổi này cho phép các sự kiện chuyển giao kiểu này xảy ra”.

Maliga nói: “Có thể tế bào thực vật làm được điều này, ngay cả khi không có mảnh ghép, nhưng ai đó phải xem xét.

Abby Olena

Ngày 7 tháng 1 năm 2021

A.P. Hertle et al., “Horizontal genome transfer by cell-to-cell travel of whole organelles,” Science Advances, doi:10.1126/sciadv.abd8215, 2021.

Clarification (January 9): We updated the structure of a sentence so the description of plastids is more clear. The Scientist regrets any confusion.