CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. Hệ gen sử dụng trong nghiên cứu phân loại phân tử ở thực vật
1.4.1. Cấu trúc hệ gen lục lạp
Lục lạp là bào quan nằm trong tế bào chất của thực vật và tảo (algae), chúng có chứa ADN riêng. ADN lục lạp có từ 102
– 104 bản sao trong mỗi tế bào [53]. Lục lạp có chứa chất diệp lục (chlorophyll) và là nơi thực hiện quá trình quang hợp của cây. Genome lục lạp thường được sử dụng cho phân loại thực vật do đặc tính di truyền theo dịng mẹ, khơng tái tổ hợp di truyền cho thế hệ sau và tốc độ đột biến cũng khá cao. Hệ gen lục lạp được các nhà phân loại học phân tử đánh giá là sự tích lũy đột biến theo thời gian, do vậy sẽ phản ánh đúng mức độ tiến hóa giữa các lồi.
Hình 1.6. Hệ gen lục lạp của hoa Nhài Jasminum nudiflorum [45]
Genome lục lạp (cpADN) thực chất là một phân tử ADN vòng, sợi đơn, mỗi gen thường không lặp lại. Không giống như các gen nhân, các gen lục lạp chỉ mã hóa cho các protein cần thiết cho chức năng quang hợp và bộ máy biểu hiện những protein này. Vùng ADN khơng mã hóa trên hệ gen lục lạp là rất ít.
Genome lục lạp (cpADN) có kích thước từ 120kb – 220kb (hình 1.6), kích thước này thay đổi do có sự tồn tại của hai vùng lặp lại ngược chiều nhau (Inverted repeat), tách genome lục lạp thành hai vùng. Mặc dù phần lớn ADN lục lạp đều mang số lượng gen như nhau, tuy nhiên đôi khi một số gen di trú vào ADN nhân và biến mất khỏi hệ gen lục lạp. Các gen lục lạp có tốc độ đột biến thấp hơn từ 4 – 5 lần so với gen trong nhân, nhưng nhanh hơn khoảng 3 lần so với ADN ty thể thưc vật và thường xuyên được sử dụng trong nghiên cứu phân loại [30, 53].
Hiện nay, các gen lục lạp thường được sử dụng trong nghiên cứu hệ thống học phân tử thực vật bao gồm: gen matK, gen trnL, vùng đệm trnH – psbA. Tất cả các gen thuộc hệ gen lục lạp thường có mức độ biến đổi khơng lớn hơn 2% giữa các loài lân cận.
- Vùng đệm psbA – trnH: thường được sử dụng cho nghiên cứu phân loại
[58, 59]. Mức độ khác biệt trình tự nucleotide giữa các lồi là 1,24% và sự khác biệt bên trong lồi rất thấp từ 0.00 – 0.08% [41]. Trình tự psbA – trnH cũng đã được
cơng bố trên ngân hàng gen với nhiều loài khác nhau thuộc thực vật hạt trần, dương xỉ, rêu, và rêu tản (liverwort).
- Gen matK: Cùng với vùng đệm psbA – trnH đã được đề xuất làm ADN
barcoding cho nhóm thực vật có hoa. Kết quả sử dụng gen matK cho phân loại đã thu được sự tương đồng rất cao với phân loại hình thái và cho giá trị bootstrap từ 92 – 100% [48, 49].
- Gen trnL: là gen mã hóa cho tRNA vận chuyển Leucine trong lục lạp, có
kích thước khoảng 452 bp đến 528bp với các lồi thuộc họ đậu. Gen này được sử dụng nhiều trong nghiên cứu phân loại phân tử [47, 40, 62]. Các kết quả thu được trong các nghiên cứu nguồn gốc phát sinh loài sử dụng gen trnL cho thấy đây là một vùng ADN hữu ích cho phân loại.
Việc sử dụng mỗi đoạn gen có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau vì vậy kết quả phân loại sẽ chính xác hơn khi phân tích tổ hợp nhiều vùng gen.
1.4.2. Vùng gen nhân
- Gen PIF (P instability factor): PIF - like transposable elements là đoạn
ADN có khả năng di chuyển độc lập ngay trong nội bộ một thể nhiễm sắc hoặc từ thể nhiễm sắc này sang thể nhiễm sắc khác, còn gọi là gen nhảy (transposon).
Gen nhảy lần đầu tiên được Barbara McKlintock phát hiện và nghiên cứu ở cây ngô từ những năm 40 của thế kỷ XX, nhưng phải chờ đến những năm 70 – 80 với sự tiến bộ của kỹ thuật phân tích di truyền người ta mới hiểu rõ được cấu trúc và cơ chế hoạt động của transposon. Transposon được tìm thấy ở vi khuẩn, nấm, thực vật, động vật và con người. Chúng rất đa dạng về độ lớn và cơ chế hoạt động, nhưng đều có điểm chung là được xếp xen kẽ vào hệ gen và sử dụng enzym transposaza để di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác của phân tử ADN. Nhiều nghiên cứu ở nhiều đối tượng khác nhau đã chứng minh rằng gen nhảy là cấu thành quan trọng của hệ gen và đóng vai trị quan trọng trong sự tiến hóa của cấu trúc thể nhiễm sắc. Với khả năng di động di chuyển vị trí, các gen nhảy tạo nên sự tổ hợp lại hệ gen làm cho hệ gen càng đa dạng. Các gen nhảy có thể được xếp xen kẽ vào các đoạn exon, các đoạn intron hoặc vào vùng ADN điều chỉnh của gen và tạo nên các đột biến gen rất đa dạng [5, 18]. Trình tự amino acid vùng gen PIF khá bảo thủ
trong cả các loài động vật và thực vật nên thường được dùng để thiết lập mối quan hệ tiến hóa giữa các lồi [68]. Trong công bố mới đây nhất của Zhou và cộng sự (2010) [68] về việc so sánh 139 trình tự gen PIF tách từ 44 lồi tre cho thấy PIF -
like transposase gen rất phổ biến, đa dạng và phong phú ở phân họ tre (Bambusoideae), nhưng lại tương đối bảo thủ ở mức độ loài.