Thoạt nhìn, quần thể sao biển gai sinh sống ở Địa Trung Hải và những cá thể sống ở vùng nước lạnh của quần đảo Anh dường như thuộc cùng một loài, không có sự khác biệt lớn. Tuy nhiên, bộ gen của chúng lại kể một câu chuyện khác: một nhóm nghiên cứu khoa học đã phát hiện ra rằng chúng có số lượng đảo đoạn nhiễm sắc thể cao bất thường , tức là những đoạn nhiễm sắc thể lớn xuất hiện "ngược" ở một số cá thể.
Những đầu tư này ảnh hưởng đến 18,6% bộ gen của sao biển gai (Marthasterias glacialis) và dường như có liên quan đến các điều kiện môi trường khác nhau . Phát hiện này cho thấy rằng cấu trúc bộ gen có thể đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong khả năng thích nghi của một loài sinh vật biển với các môi trường đa dạng.
Sự đảo đoạn nhiễm sắc thể liên quan đến môi trường
Nghiên cứu do Trạm Sinh học Doñana (EBD-CSIC) và Đại học Barcelona dẫn đầu, đã phân tích gần 300 mẫu vật từ nhiều vùng khác nhau của Đông Bắc Đại Tây Dương và Tây Địa Trung Hải. "Phát hiện thú vị nhất là các biến thể của những đảo đoạn này không được phân bố ngẫu nhiên giữa các quần thể được nghiên cứu, mà dường như có liên quan đến các vùng địa lý khác nhau", Carlos Leiva, một nhà nghiên cứu tại Trạm Sinh học Doñana giải thích. "Nhiều biến thể xuất hiện thường xuyên hơn ở các vùng ấm áp, mặn như Địa Trung Hải, trong khi những biến thể khác dường như có liên quan đến các khu vực lạnh hơn, chẳng hạn như quần đảo Anh." Trong các vùng đảo đoạn này, người ta đã tìm thấy các gen liên quan đến phản ứng với stress nhiệt, điều hòa thẩm thấu, phản ứng miễn dịch và nhận thức môi trường. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng mối quan hệ này cần được xác thực thông qua các nghiên cứu thực nghiệm. Dù sao đi nữa, kết quả cho thấy cách thức tổ chức bộ gen có thể đặc biệt quan trọng để hiểu cách một loài thích nghi với các môi trường khác nhau, bên cạnh các đột biến điểm trong DNA. Cơ chế này có thể đặc biệt phù hợp với sao biển gai, một loài mà các quần thể của nó duy trì mức độ kết nối cao với nhau mặc dù sống trong môi trường có đặc điểm rất khác nhau.
Một cơ chế để bảo tồn sự thích nghi cục bộ
Phát hiện này đặc biệt nổi bật bởi một hiện tượng phổ biến ở nhiều sinh vật biển: khả năng di chuyển đường dài của ấu trùng . Mặc dù sao biển trưởng thành có khả năng di chuyển hạn chế hơn, nhưng ấu trùng của chúng có thể di chuyển hàng trăm ki-lô-mét nhờ dòng hải lưu. Sự di chuyển này tạo điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi gen và liên tục pha trộn các quần thể. Về lý thuyết, mức độ liên kết cao này sẽ cản trở sự xuất hiện của những khác biệt thích nghi đáng kể giữa các khu vực. Tuy nhiên, nghiên cứu chứng minh rằng có những vùng trong bộ gen có khả năng thoát khỏi sự pha trộn gen này. Một số vùng tái tổ hợp, hay "pha trộn", ít hơn nhiều so với phần còn lại của bộ gen, cho phép chúng vẫn khác biệt giữa các quần thể. "Những vùng này hoạt động như những khối xây dựng được di truyền cùng nhau, do đó bảo tồn các tổ hợp gen có lợi cho việc sống trong các điều kiện môi trường cụ thể, với sự khác biệt về nhiệt độ hoặc độ mặn", Marta Martín Huete, một nhà nghiên cứu tiền tiến sĩ tại Đại học Barcelona giải thích. Bằng cách này, sự đảo đoạn nhiễm sắc thể có thể hoạt động như một loại cơ chế cho phép giữ lại một số tổ hợp gen có lợi cho một môi trường cụ thể, ngay cả khi có sự trao đổi gen đáng kể giữa các quần thể.
Gần 300 con sao biển đã được nghiên cứu ở Đại Tây Dương và Địa Trung Hải.
Để xác định xem có tồn tại những khác biệt tiềm ẩn trong bộ gen của loài này hay không, nhóm nghiên cứu đã phân tích các mẫu từ gần 300 cá thể Marthasterias glacialis thu thập từ 19 địa điểm khác nhau trên khắp vùng Đông Bắc Đại Tây Dương và Tây Địa Trung Hải. Các mẫu đến từ các khu vực bao gồm Quần đảo Anh, Azores, bờ biển Đại Tây Dương của châu Âu và Địa Trung Hải, cho phép so sánh các quần thể chịu các điều kiện môi trường rất khác nhau. Nhóm nghiên cứu đã phân tích hàng nghìn dấu hiệu di truyền phân bố khắp bộ gen và so sánh chúng với bộ gen tham chiếu của loài. Phương pháp này cho phép họ xác định các vùng có sự đảo đoạn nhiễm sắc thể và nghiên cứu sự phân bố của các đảo đoạn này giữa các quần thể khác nhau. Hơn nữa, dữ liệu di truyền được kết hợp với thông tin môi trường về nhiệt độ và độ mặn, cho phép các nhà nghiên cứu khám phá xem liệu sự đảo đoạn nhiễm sắc thể có liên quan đến các quá trình thích nghi cục bộ hay không. Kết quả đặc biệt ấn tượng: 18,6% bộ gen thể hiện loại biến dị cấu trúc này, một tỷ lệ cao cho thấy tầm quan trọng của sự đảo đoạn nhiễm sắc thể trong việc phân biệt các quần thể được phân tích.
Ý nghĩa đối với việc bảo tồn đa dạng sinh học biển
Nghiên cứu cũng tiết lộ rằng một loài phân bố rộng rãi với các quần thể liên kết và dường như đồng nhất có thể chứa đựng sự đa dạng thích nghi đáng kể trong bộ gen của nó . Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với việc bảo tồn đa dạng sinh học biển, vì các quần thể khác nhau của cùng một loài có thể phản ứng khác nhau với các hiện tượng như sự ấm lên của đại dương hoặc sự thay đổi độ mặn. Hiểu được sự đa dạng di truyền này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu, bởi vì khả năng phản ứng của các loài đối với sự thay đổi nhiệt độ và các điều kiện môi trường khác có thể quyết định sự sống còn và sự phân bố trong tương lai của chúng. Hơn nữa, kết quả cung cấp một góc nhìn mới về các cơ chế thúc đẩy sự tiến hóa của đa dạng sinh học biển. Nghiên cứu chứng minh rằng những thay đổi trong cấu trúc bộ gen có thể quan trọng không kém gì những khác biệt cụ thể trong DNA trong việc thúc đẩy sự thích nghi của loài.
Sao biển gai như một mô hình nghiên cứu trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Bước tiếp theo sẽ là xác minh xem các đảo đoạn nhiễm sắc thể đã được xác định có thực sự ảnh hưởng đến các đặc điểm sinh học của từng cá thể hay không. "Những kết quả này mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu mới để xác minh xem liệu các đảo đoạn nhiễm sắc thể này có thực sự dẫn đến sự khác biệt sinh học giữa các cá thể hay không, chẳng hạn như khả năng chịu nhiệt cao hơn, khả năng chống chịu với sự thay đổi độ mặn, sự khác biệt về tăng trưởng hoặc sinh sản", Carlos Leiva giải thích. Nếu nghiên cứu trong tương lai xác nhận rằng các đảo đoạn nhiễm sắc thể này quyết định, ít nhất là một phần, khả năng thích nghi với nhiệt độ hoặc độ mặn của sao biển gai, thì Marthasterias glacialis có thể trở thành mô hình để nghiên cứu cách các loài sinh vật biển có thể phản ứng với đại dương bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu. Điều bắt đầu như một nghiên cứu về sao biển đã hé lộ một cách hiểu mới về cách các sinh vật biển tiến hóa và cách chúng có thể duy trì sự thích nghi cục bộ ngay cả khi quần thể của chúng được kết nối bởi sự di chuyển của ấu trùng.
Phát hiện của nhóm nghiên cứu Tây Ban Nha-Pháp, bao gồm cả Đại học Guam, Viện Thực vật học Barcelona và Đại học Rennes, nhấn mạnh rằng cấu trúc bộ gen là yếu tố then chốt trong quá trình tiến hóa . Sao biển gai, với 18,6% đảo đoạn nhiễm sắc thể, trở thành một ví dụ điển hình về cách cấu trúc nhiễm sắc thể có thể che giấu sự đa dạng thích nghi đáng ngạc nhiên, cung cấp những manh mối quý giá để dự đoán cách hệ sinh thái biển sẽ phản ứng với những thách thức trong tương lai.