Các loài cá gai có gen khác nhau nhưng có biểu hiện tiến hóa giống nhau

Nghiên cứu cho thấy khi hai loài cá gai tiến hóa, mất khung xương chậu và lớp bảo vệ cơ thể, những thay đổi này do các gen khác nhau ở mỗi loài gây ra. Điều này khiến các nhà nghiên cứu ngạc nhiên vì họ cho rằng cùng một gen kiểm soát những thay đổi giống nhau ở hai loài cá có quan hệ họ hàng gần gũi. 

Mike Shaprio, tác giả chính của nghiên cứu đồng thời là giáo sư tại Đại học Utah, cho biết: “Chúng tôi biết rằng trong nhiều trường hợp tiến hóa, cùng một gen được sử dụng nhiều lần – thậm chí ở những loài khác nhau – để tạo ra biểu hiện giải phẫu giống nhau. Điều chúng tôi phát hiện thấy là những gen khác nhau có thể đem lại cùng một kết quả”.

Nghiên cứu được công bố trực tuyến ngày 4 tháng 6, và sẽ được đăng trên tạp chí Curent Biology số ngày 18 tháng 7. Phát hiện này đưa ra hiểu biết mới về sự đa dạng sinh học do tiến hóa tạo ra trong tự nhiên cũng như quá trình tiến hóa tiêu giảm chi.

Shapiro cho biết: “Tiêu giảm chi là một hiện tượng thường thấy ở nhiều nhóm động vật – rắn, cá voi, lợn biển và một số động vật lưỡng cư. Chúng tôi không thể thực hiện nghiên cứu di truyền trên những động vật đó. Cá gai đem lại một số hiểu biết về những gì có thể xảy ra với các nhóm động vật khác”. Nghiên cứu mới tập trung vào “tiến hóa hội tụ” khi cùng một đặc điểm tiến hóa một cách độc lập ở những loài khác nhau hoặc những quần thể khác nhau của cùng một loài. Câu hỏi chìa khóa là liệu hai loài khác nhau sử dụng cùng một gen hoặc những gen khác nhau khi tiến hóa cùng một đặc điểm. Trong nhiều trường hợp, cùng một gen khiến hai loài khác nhau tiến hóa cùng một đặc điểm.

Nghiên cứu mới cho thấy những gen khác nhau cũng có thể dấn đến việc tiến hóa cùng một đặc điểm khác nhau ở hai loài cá gai. Shapiro cho biết: “Ở khía cạnh di truyền, chúng ta biết rất ít về những cơ chế tạo ra đa dạng hóa sinh học. Cả hai loài cá nói trên đang tăng cường sự đa dạng hóa, và thật trùng hợp chúng có cùng một giải pháp cho vấn đề sinh thái. Chúng tôi phát hiện hai loài cá sử dụng những gen khác nhau để thực hiện cùng một mục đích, điều này trái ngược với những nghiên cứu trước đây về cá gai”.

Shapiro nghiên cứu làm thế nào loài cá gai dài từ 2 đến 4 inch mất khung xương chậu. Đôi khi ông thực hiện thuyết trình khoa học với tựa đề “Pelvis (khung xương chậu) đã rời khỏi tòa nhà” – bắt chước thông báo “Elvis đã rời khỏi tòa nhà” từ nhiều thập kỷ trước để giải tán đám đông người hâm mộ sau các buổi biểu diễn của Elvis Presley, ông vua nhạc rock and roll.

Shapiro thực hiện nghiên cứu với 3 nhà sinh vật học thuộc Đại học Utah: nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ Jaclyn Aldenhoven, nghiên cứu sinh Christopher Cunningham và sinh viên Ashley Miller. David Kingsley, nhà sinh vật học thuộc Đại học Stanford, là một trong những tác giả chính, các đồng tác giả bao gồm Brian Summers và Sarita Balabhadra thuộc Stanford, và nhà sinh vật học tiến hóa Michael A. Bell thuộc Đại học Stony Brook bang New York.

Gen khác nhau làm tiêu giảm xương chậu

Shapiro và các đồng nghiệp xây dựng bản đồ gen đầu tiên cho loài cá với tên gọi cá voi ninespine (9 xương), với 9 đốt xương sống gồ lên trên lưng và hai đốt xương khác mở rộng xuống dưới từ xương chậu. Cặp xương hông dài từ 1/4 đến 1/2 inch tiến hóa từ vây chậu. Mất khung xương chậu và các đốt xương chậu cũng tương tự như việc “động vật trên cạn mất chân”.

Các nhà nghiên cứu so sánh bộ gen của cá gai ninespine với bộ gen của một loài khác mà họ đã từng nghiên cứu: cá gai threespine, với 3 xương lớn hơn trên lưng và thường có hai xương to gắn liền với khung xương chậu.

Cá gai không có vảy. Thay vào đó, nó có lớp bảo vệ khỏi các loài cá săn mồi. Lớp bảo vệ này – bao gồm 30 bản xương dẹt ở mỗi bên – kéo dài từ sau đầu đến đuôi. Ở cá gai ninespine, có khoảng 20 bản xương bảo vệ ở mỗi bên cơ thể.

Hai con bên trái là cá gai ninespine và hai con bên phải là cá gai threespine. Hai con phía trên có xương chậu, hai con phía dưới đã tiêu giảm xương chậu. (Ảnh: Mike Shapiro, Đại học Utah)

Nghiên cứu mới không nhận biết gen cụ thể chịu trách nhiệm cho những thay đổi tiến hóa ở cá gai ninespine, mà thay vào đó nhận biết vị trí trên nhiễm sắc thể của những gen này.

- Gen chịu trách nhiệm cho việc tiêu giảm khung xương chậu ở cá gai ninespine nằm trên nhiễm sắc thể số 4, nhưng ở cá gai threespine, gen chịu trách nhiệm cho việc tiêu giảm khung xương chậu, gọi là Pitx1, nằm trên nhiễm sắc thể số 7.

- Gen chịu trách nhiệm cho thay đổi về số lượng bản bảo vệ cơ thể ở cá gai ninepine nằm trên nhiễm sắc thể số 12. Ở cá gai threespine, gen chịu trách nhiệm cho thay đổi này gọi là Eda và nằm trên nhiễm sắc thể số 4.

- Trong khi gen chỉ thị giới tính nằm trên nhiễm sắc thể số 12 ở cá gai ninespine, thì gen này nằm trên nhiễm sắc thể số 19 ở cá gai threespine.

Shapiro cho biết: “Đây là một điều đáng ngạc nhiên vì hai loài cá này có quan hệ khá gần gũi. Động vật có vú không hề thay đổi cơ chế xác định giới tính trong hơn 150 triệu năm”.

Sông băng tan, cá gai “xâm lấn”

Có tất cả 6 hoặc có thể 8 loài cá gai, tất cả đều nằm ở bán cầu Bắc. Chúng sống ở châu Âu, vùng bờ biển Bắc Mỹ, phía Bắc Mexico trên Thái Bình Dương, và phía Bắc từ New York trên Đại Tây Dương; ở khắp các vùng ven biển phía Bắc châu Á. Giống như cá hồi, cá gai sống chủ yếu ở biển và bơi ngược dòng để sinh sản. Một số khác sống trong các hồ.

Shapiro cho biết: “Sau khi các sông băng ở kỷ băng hà bắt đầu tan từ 15.000 đến 20.000 năm trước, những con cá gai sống ở biển bơi ngược dòng đến những hồ mới hình thành. Rất nhiều đàn cá gai ninespine và threespine bị kẹt trong các hồ, tạo ra những thí nghiệm tiến hóa. Chúng thích nghi nhanh chóng với môi trường nước ngọt mới. Một số thay đổi bao gồm hình dáng và kích thước cơ thể, số lượng bản bảo vên trên cơ thể, và đôi khi, sự tiêu giảm hoàn toàn một số cấu trúc chính như xương chậu”.

Ở biển, nếu bị một con cá lớn hơn đe dọa, cá gai tự bảo vệ bằng cách kéo dài các xương trên lưng và quanh vùng xương chậu. Nhưng nhu cầu cho xương chậu thay đổi khi cá gai chuyển sang khu vực hồ với ấu trùng chuồn chuồn và một số loài sâu bọ, nhưng không hề có các loài cá săn mồi khác

Shapiro giải thích: “Xương rất hiệu quả khi bạn tự bảo vệ bản thân khỏi một con cá lớn. Nhưng những kẻ săn mồi khác như ấu trùng chuồn chuồn có thể chộp lấy xương chậu của cá gai, kéo chúng lai và “đánh chén”. Chúng đợi cho cá gai bơi ngang qua rồi chụp lấy chúng”.

Vì vậy một số cộng đồng cá gai ở hồ tiến hóa mà không có xương chậu vì những con không có xương chậu thường có cơ hội sống sót cao hơn.

Nghiên cứu mới bao gồm việc giao phối cho hai con cá gai ninespine phát triển mà không có xương chậu: con đực từ Point MacKenzie, tại Cook Inlet gần Anchorage, Alaska và con cái từ Hồ Fox Holes gần Fort Smith, Canada.

Shapiro giải thích: “Kỹ thuật di truyền chúng tôi sử dụng khiến việc lai giống trở nên cần thiết. Kỹ thuật chúng tôi sử dụng để nhận biết gen hoặc khu vực của bộ gen kiểm soát các thay đổi về hình thái học tương tự như kỹ thuật mà những nhà di truyền học sử dụng để theo dõi gen chịu trách nhiệm cho ung thư hoặc các bệnh di truyền khác”.

“Áp dụng thụ tinh trong ống nghiệm chúng tôi đã lại giống hai con cá gai không có xương chậu, và kết quả là 120 cá con, một nửa có xương chậu mà một nửa không”.

Sử dụng mẫu ADN của cá con “chúng tôi đã thực hiện bản đồ bộ gen đầu tiên của cá gai ninespine”, rồi so sánh dữ liệu đó với những nghiên cứu trước đây về cá gai threespine. Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng đối với việc tiêu giảm xương chậu, số lượng bản bảo vệ trên cơ thể, và xác định giới tính, những gen kiểm soát những đặc điểm đó ở cá gai ninespine hoàn toàn khác với những gen ở cá gai threespine.

Trong khi nghiên cứu mới cho thấy những gen khác nhau kiểm soát cùng một đặc điểm ở hai loài cá gai có quan hệ họ hàng gần, thì ở một số trường hợp khác, cùng một gen kiểm soát cùng một đặc điểm ở những loài có quan hệ họ hàng xa. Pitx 1 kiểm soát sự tiêu giảm xương chậu ở cá gai threespine. Gen Eda kiểm soát số lượng bản bảo vệ cơ thể ở cá gai threespine, và gen này đột biến ở một căn bệnh ở người bao gồm việc mất tuyến mồ hôi, giảm số lượng răng, và rụng tóc.

Tham khảo:
Michael D. Shapiro, Brian R. Summers, Sarita Balabhadra, Jaclyn T. Aldenhoven, Ashley L. Miller, Christopher B. Cunningham, Michael A. Bell, and David M. Kingsley. The Genetic Architecture of Skeletal Convergence and Sex Determination in Ninespine Sticklebacks. Current Biology, 2009; DOI: 10.1016/j.cub.2009.05.029