Đại học Baptist Hồng Kông khám phá bí mật bộ gen của các sinh vật phát triển trong môi trường biển sâu

ĐẶC KHU HÀNH CHÍNH HỒNG KÔNG – Media OutReach – Một nghiên cứu do các nhà khoa học tại Đại học Baptist Hồng Kông (Hong Kong Baptist University – HKBU) dẫn đầu đã giải mã bộ gen của loài ngao biển sâu (Archivesica marissinica) và vi khuẩn hóa dưỡng (Candidatus Vesicomyosocius marissinica) sống trong tế bào biểu mô mang của nó. Thông qua việc phân tích cấu trúc bộ gen và mô tả các kiểu biểu hiện gen của chúng, nhóm nghiên cứu phát hiện có sự cộng sinh giữa hai đối tác cho phép loài trai phát triển mạnh trong môi trường biển sâu có điều kiện rất khắc nghiệt.

(Hình 1) Hình vẽ cho thấy một con ngao với chân vươn sâu xuống lớp trầm tích để tiếp cận với hydro sulfua. Chân và lớp vỏ của ngao có màu đỏ do sự hiện diện của hemoglobin để vận chuyển khí trong máu, đây là sự thích nghi với môi trường ít oxy. (hình vẽ do sinh viên Hu Juntong của HKBU thực hiện)

Giáo sư Qiu Jianwen (trong ảnh bên phải) và thành viên nhóm nghiên cứu HKBU của ông, Tiến sĩ Ip Chi-ho (ở giữa) và Tiến sĩ Xu Ting (bên trái) thu thập các mẫu vật nghêu lấy từ Biển Đông ở độ sâu 1.360 mét so với mực nước biển.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Molecular Biology and Evolution.

Do sự thiếu hụt chung của các chất hữu cơ có nguồn gốc từ quang hợp, biển sâu từng được coi là một “sa mạc” rộng lớn với rất ít sinh khối. Tuy nhiên, loài trai thường tạo thành quần thể lớn trong các miệng phun thủy nhiệt nhiệt độ cao và cái lạnh đóng băng thấm vào các đại dương sâu trên toàn cầu, nơi ánh sáng mặt trời không thể xuyên qua, nhưng các phân tử độc hại, chẳng hạn như hydro sulfua, có sẵn dưới đáy biển. Ngao được biết đến là loài có hệ tiêu hóa và đường ruột giảm và chúng dựa vào vi khuẩn nội cộng sinh để tạo ra năng lượng trong một quá trình gọi là tổng hợp hóa học. Tuy nhiên, khi nào mối quan hệ cộng sinh này phát triển và cách thức tương tác giữa trai và vi khuẩn hóa dưỡng vẫn chưa rõ ràng.

Sự chuyển gen ngang giữa vi khuẩn và trai lần đầu tiên được phát hiện

Một nhóm các nhà nghiên cứu do Giáo sư Qiu Jianwen, Giáo sư Khoa Sinh học của Đại học Baptist Hồng Kông, đã thu thập các mẫu vật nghêu ở độ sâu 1.360 mét dưới mực nước biển từ một đợt thấm lạnh ở Biển Đông. Sau đó, bộ gen của ngao và các vi khuẩn cộng sinh của nó đã được giải trình tự để làm sáng tỏ các dấu hiệu bộ gen của mối quan hệ cộng sinh thành công của chúng.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng, tổ tiên của loài ngao đã tách ra khỏi họ hàng nước nông của nó cách đây 128 triệu năm, khi khủng long lang thang trên trái đất. Nghiên cứu cho thấy, 28 gen đã được chuyển từ vi khuẩn hóa dưỡng tổ tiên sang ngao, phát hiện đầu tiên về chuyển gen ngang – một quá trình truyền vật chất di truyền giữa các sinh vật có quan hệ họ hàng xa – từ vi khuẩn sang động vật thân mềm hai mảnh vỏ.

Các đặc điểm bộ gen sau đây của loài ngao đã được phát hiện và kết hợp với nhau, chúng đã giúp ngao thích nghi với môi trường biển sâu khắc nghiệt:

(1) Thích ứng cho quá trình tổng hợp hóa học

Ngao dựa vào vi khuẩn hóa dưỡng cộng sinh để tạo ra các vật liệu sinh học cần thiết cho sự tồn tại của nó. Trong mối quan hệ cộng sinh của mình, ngao hấp thụ hydro sulfua từ trầm tích, oxy và CO2 từ nước biển và chuyển chúng cho vi khuẩn sống trong tế bào biểu mô mang của nó để tạo ra năng lượng và chất dinh dưỡng trong một quá trình gọi là tổng hợp hóa học. Quá trình này được minh họa trong Hình 1.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng, bộ gen của ngao thể hiện sự mở rộng họ gen trong các quá trình tế bào như hô hấp và khuếch tán có khả năng tạo điều kiện cho quá trình vi sinh vật hóa tự dưỡng (chemoautotrophy), bao gồm phân phối khí để hỗ trợ sản xuất năng lượng và carbon, chuyển các phân tử nhỏ và protein trong tế bào cộng sinh và điều hòa của dân số nội bộ. Nó giúp vật chủ nhận được đầy đủ chất dinh dưỡng từ vi khuẩn cộng sinh.

(2) Chuyển từ thức ăn dựa trên thực vật phù du

Cellulase là một loại enzyme hỗ trợ quá trình phân hủy cellulose có trong thực vật phù du, một nguồn thức ăn chính chính trong chuỗi thức ăn ở biển. Người ta phát hiện ra rằng, các gen cellulase của ngao đã trải qua quá trình co lại đáng kể, đây có thể là sự thích nghi với sự chuyển đổi từ thức ăn có nguồn gốc từ thực vật phù du sang thức ăn dựa trên vi khuẩn.

(3) Thích ứng với các con đường chuyển hóa lưu huỳnh

Bộ gen của loài cộng sinh cũng nắm giữ những bí mật của mối quan hệ đôi bên cùng có lợi này. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng, loài ngao này có bộ gen bị thu nhỏ, vì nó chỉ bằng khoảng 40% kích thước của những họ hàng sống tự do của nó. Tuy nhiên, bộ gen cộng sinh mã hóa các con đường chuyển hóa lưu huỳnh hoàn chỉnh và linh hoạt, đồng thời nó vẫn giữ được khả năng tổng hợp 20 loại axit amin phổ biến và các chất dinh dưỡng thiết yếu khác, làm nổi bật tầm quan trọng của bộ gen cộng sinh trong việc tạo ra năng lượng và cung cấp chất dinh dưỡng để hỗ trợ mối quan hệ cộng sinh.

(4) Cải thiện khả năng liên kết oxy

Không giống như ở động vật có xương sống, hemoglobin, một metalloprotein được tìm thấy trong máu và mô của nhiều sinh vật, không thường được sử dụng như một chất vận chuyển oxy ở động vật thân mềm. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một số loại gen hemoglobin biểu hiện cao trong ngao, cho thấy khả năng liên kết oxy của ngao được cải thiện. Điều này có thể nâng cao khả năng sống sót của ngao trong môi trường biển sâu có lượng oxy thấp.

Giáo sư Qiu Jianwen cho biết: “Hầu hết các nghiên cứu trước đây về cộng sinh ở biển sâu chỉ tập trung vào vi khuẩn. Việc lắp ráp bộ gen cộng sinh – ngao đầu tiên này sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu so sánh nhằm làm sáng tỏ sự đa dạng và cơ chế tiến hóa của cộng sinh, cho phép nhiều động vật không xương sống phát triển mạnh mẽ hệ sinh thái biển sâu”.

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học của Đại học Baptist Hồng Kông và Viện Nghiên cứu và Giáo dục thường xuyên thuộc Đại học Baptist Hồng Kông, Chi nhánh Hồng Kông của Phòng thí nghiệm Khoa học và Kỹ thuật Biển Nam Quảng Đông (Quảng Châu), Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông, Đại học Thành phố Hồng Kông, Cơ quan Khoa học và Công nghệ Biển-Trái đất Nhật Bản, Viện Khoa học và Kỹ thuật Biển sâu Tam Á (Sanya) và Cơ quan Khảo sát địa chất biển Quảng Châu.