1.4.1 Hệ gen của các bào quan
Hầu hết bộ gen của các cơ quan tử có dạng phân tử DNA mạch vòng đơn. Bộ gen của cơ quan tử mã hóa cho một số protein đặc trƣng ở trong các cơ quan đó. Do trong một tế bào có nhiều cơ quan tử nên có nhiều bộ gen của các cơ quan tử trên một tế bào.
1.4.1.1 Hệ gen ty thể
Ty thể là bào quan nhỏ của tế bào, là nơi tổng hợp các enzyme hô hấp, tổng hợp phần lớn ATP của tế bào, đảm bảo năng lƣợng cho mọi quá trình trao đổi chất. Ty thể có khả năng tự nhân đôi độc lập với quá trình tự nhân đôi của DNA (nhiễm sắc thể) trong nhân tế bào, có khả năng tổng hợp các protein đặc trƣng của ty thể.
Mỗi tế bào động vật, thực vật có vài trăm ty thể, tế bào nấm men Sacharomyces
cerevisiae có 22 ty thể. Mỗi ty thể có nhiều bản sao của hệ gen ty thể. Bộ gen ty thể
(mitochonrial DNA – mtDNA) ở dạng xoắn kép trần (không có sự tham gia của phân tử histon), mạch vòng. Kích thƣớc mtDNA khác nhau tùy loài. Nấm men S. cerevisiae có mtDNA kích thƣớc khoảng 84 kb; ở ngƣời, chuột và một số động vật có vú kích
thƣớc mtDNA khoảng 16,5 kb; ở thực vật kích thƣớc bộ gen ty thể thƣờng rất lớn (ở ngô khoảng 570 kb). Bộ gen ty thể của tế bào động vật gồm các exon, còn bộ gen ty thể của tế bào thực vật và nấm men gồm các exon và intron xen kẽ.
Bộ gen ty thể ở động vật có vú có cấu trúc tƣơng đối giống nhau, mỗi mtDNA gồm 37 gen, trong đó có 13 gen mã hóa protein, 22 gen mã hóa tRNA và 2 gen mã hóa rRNA. Các protein do gen ty thể mã hóa có trong thành phần lớp màng bên trong của ty thể. Đa số các loài thực vật, nấm men và động vật có vú thành phần protein trong cấu trúc ty thể đều do bộ gen ty thể mã hóa. Các gen ty thể của tế bào động vật có vú phân bố tƣơng đối đồng đều, còn gen ty thể nấm men tập trung một cụm 16 gen, còn 10 gen phân tán khắp toàn bộ ty thể (Khuất Hữu Thanh, 2005).
DNA ty thể thƣờng có thành phần khác biệt với DNA của tế bào, ví dụ, ở nấm men DNA ty thể có tỷ lệ G – C khoảng 21%, còn DNA nhân có tỷ lệ G – C khoảng 40%. DNA ty thể của tế bào động vật có vùng gen trùm nhau (overlap), vùng D-loop là vùng điều khiển của mtDNA.
Hình 1.7. DNA ty thể ngƣời
Mã di truyền của mtDNA của ty thể có một số khác biệt mã di truyền của các gen nhân ở cả sinh vật prokaryote và sinh vật eukaryote (bảng 1.2) (Khuất Hữu Thanh,
2005).
Bảng 1.2. Sự khác biệt của mã di truyền ty thể và mã di truyền gen nhân
Bộ ba mã hóa
Mã di truyền gen nhân
Mã di truyền của gen ty thể Động vật có vú Ruồi giấm Nấm men Thực vật
UGA Stop Trip Trip Trip Stop
AGA, AGG Arg Stop Ser Arg Arg
AUA Ile Met Met Met Ile
AUU Ile Met Met Met Ile
CUU, CUC,
CUA, CUG Leu Leu Leu Thr Leu
Gen ty thể di truyền theo dòng mẹ. Hệ gen ty thể có số lƣợng gen ít hơn hệ gen nhân, không có hiện tƣợng trao đổi chéo, các thay đổi chủ yếu do đột biến nên dựa vào tốc độ thay đổi nucleotide có thể xác định thời gian tiến hóa, xác lập đồng hồ phân tử.
1.4.1.2 Hệ gen Ribosome (Ribosomal DNA- rDNA)
Hệ gen ribosome (rDNA) bao gồm một trình tự lặp lại song song của một phân đoạn đơn vị, một operon, bao gồm các NTS (Nontranscribed Spacer), ETS (External Transcribed space), vùng gen 18S, ITS1 (Internal Transcribed Space 1), vùng gen 5.8S, ITS2 (Internal Transcribed Space 2) và vùng gen 28S. Cấu trúc hệ gen ribosome đƣợc trình bày ở Hình 1.7.
Hình 1.8. Cấu trúc hệ gen ribosome (Juinio - Menez và cộng sự, 2000)
Các cụm gen DNA ribosome: Một tế bào có nhân điển hình đang phát triển chứa khoảng 10 Mio ribosome, đây là các máy di động để sản xuất protein (bản dịch của RNA thành protein). RNA ribosome là thành phần cấu trúc cơ bản của ribosome 10 Mio. Bản sao của từng loại phân tử RNA ribosome (5S, 5.8S, 18S, 28S rDNA) phải đƣợc tổng hợp trong mỗi thế hệ để đáp ứng các yêu cầu của tế bào nhằm tổng hợp nên protein. Để sản xuất đủ số lƣợng RNA ribosome có chứa nhiều bản sao của gen mã hóa cho RNA ribosome (rRNA gen = rDNA). Nhân tế bào có chứa khoảng 200 bản sao của gen rRNA mỗi bộ gen đơn bội, lan ra các cụm nhỏ trên nhiễm sắc thể khác nhau (nhiễm sắc thể 13, 14, 15, 21, 22). Tuy nhiên, mô hình chung của các tổ chức gen rRNA và tổng hợp rRNA là giống hệt nhau trong tất cả các sinh vật nhân chuẩn. Các bản sao của gen rRNA bảo tồn trên một nhiễm sắc thể đƣợc nằm trong một loạt sắp xếp lặp lại, trong đó mỗi gen đƣợc tách ra từ các khu vực kế tiếp đƣợc gọi là đoạn chèn DNA, mà thay đổi theo chiều dài và trình tự giữa các loài. Một nhóm duy nhất bao gồm các gen rRNA cho 18S, 5.8S và 28S rRNA mà đƣợc phân cách bởi một đoạn chèn
bên trong (ITS-1, ITS-2). Cụm lân cận có chiều dài khoảng 10.000 nucleotide, từng đƣợc ngăn cách bởi các vùng đệm bên ngoài (ETS).
Các gen rRNA đƣợc phiên mã bởi RNA polymerase I và mỗi bộ gen tạo ra cùng một bản sao RNA, đƣợc gọi là 45 rRNA-tiền rRNA (pre–rRNA). Trƣớc khi rời khỏi tập hợp các hạt nhân trong ribosome, các tiền 45-rRNA bị cắt bỏ một bản sao của rRNA 28S (khoảng 5000 nucleotide), rRNA 18S (khoảng 2000 nucleotide) và rRNA 5.8S (trong khoảng 160 nucleotide). Các bộ phận còn lại của từng sợi phiên mã sơ cấp (ETS, ITS-1, ITS-2) đƣợc loại bỏ. Cùng với khoảng 200 protein khác nhau của tế bào và rRNA 5S bắt nguồn từ một quỹ tích nhiễm sắc thể, các rRNA mới tổng hợp đƣợc đóng gói để tạo ra các ribosome, quá trình này diễn ra trong hạt nhân, trong một cấu trúc lớn khuếch tán, đƣợc gọi là nucleolus.
Các phân tử rRNA là rất cần thiết cho hệ ribosome, tổng hợp protein và chức năng tế bào. Vì vậy, gen ribosome là các gen đƣợc bảo tồn nhất trong các tế bào có nhân điển hình. Tuy nhiên, sự tƣơng đồng trong các vùng đệm bên trong (ITS-1 và ITS-2) là rất thấp, vì các khu vực này DNA không đóng góp vào quá trình tổng hợp protein. Do đó, ít áp lực chọn lọc và sự khác biệt trình tự DNA (đột biến điểm), thậm chí giữa các loài của một giống có thể đƣợc tìm thấy trong các khu vực này. Do các tính năng này dữ liệu phân tử rDNA là rất hữu ích để xác định mối quan hệ phát sinh loài (cây phả hệ) hoặc phân loại giữa các loài có mối quan hệ gần gũi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trai tai tƣợng Tridacna trên thê giới. 1.4.2.1Nghiên cứu mối quan hệ tiến hóa và phát sinh loài. 1.4.2.1Nghiên cứu mối quan hệ tiến hóa và phát sinh loài.
DNA ty thể đã đƣợc chứng minh là công cụ hữu hiệu trong phân tích đa dạng của các loài thuộc lớp chân bụng (gastropoda) và các loài thuộc lớp hai mảnh vỏ (Grande C. và cộng sự, 2008). Các chỉ thị phân tử (marker) chuẩn của DNA ty thể thƣờng đƣợc sử dụng là các gen mã hóa cho cytochrome b mitochrondrial DNA (cytb mtDNA), 16S mtDNA (16S mitochrondrial DNA) và cytochrome oxidase c subunit 1 mitochondrial DNA (CO1 mtDNA).
Cho đến nay, trên thế giới nhiều công trình nghiên cứu về sự phát sinh loài trai tai tƣợng đã đƣợc thực hiện. Tuy nhiên, mối quan hệ phát sinh chủng loài của chúng vẫn chƣa đƣợc giải quyết một cách triệt để.
Muruyama và cộng sự (1998) sử dụng một phần trong chuỗi trình tự của gen 18S DNA ribosom (rDNA) để nghiên cứu mối quan hệ phát sinh loài của các loài tảo sống cộng sinh (zooxanthellate) với động vật thân mềm hai mảnh vỏ thuộc hai họ Tridacnidae (Tridacna, Hippopus) và họ Cardiidae (Fragum, Corculum). Kết quả thu đƣợc ba cây phát sinh loài thể hiện mối quan hệ (T. maxima (T. crocea + T. squamosa)), (T. crocea (T. squamosa + T. maxima)) và (T. squamosa (T. crocea + T. maxima) (Maruyama T. và cộng sự, 1998).
Schneider và O'Foighil (1999) nghiên cứu mối quan hệ của 8 loài trai tai tƣợng dựa trên trình tự gen 16S DNA ty thể. Kết quả cho thấy trai tai tƣợng chia làm 2 nhóm đồng dạng (Hippopus và Tridacna). Trong đó, giống Tridacna đƣợc chia thành 2 nhóm đồng dạng là nhóm chứa các loài thuộc phân giống Chametrachea (T. maxima (T.
squamosa + T. crocea)) và nhóm (T. tevoroa (T. derasa + T. gigas)) (Schneider Jay
A.,Foighil Diarmaid Ó, 1999). Nhƣ vậy, kết quả của Schneider và O'Foighil (1999) cho thấy mối quan hệ giống nhƣ cây thứ hai của Maruyama và cộng sự (1998).
Thêm vào đó, Benzie và Williams (1998) sử dụng các biến thể allozyme thuộc 26 loci của 8 loài trai tai tƣợng thu ở phía Tây Thái Bình Dƣơng khẳng định 2 nhóm chính thuộc họ Tridacnidae dựa trên đặc điểm hình thái là Hippopus và Tridacna và các phân giống của Tridacna, bao gồm phân giống Chametratea (T. squamosa T. crocea, T.
maxima), phân giống Tridacna sensu stricto (chỉ có T. gigas), phân giống Persikima
(T. derasa và T. tevoroa). Kết quả về di truyền cho thấy phân giống Chametratea và T.
gigas có mối quan hệ gần gũi với nhau và có sự trao đổi alen giữa các nhóm này trong
quá trình tiến hóa. Đồng thời, trong phân giống Chametrachea, mối quan hệ giữa các loài đƣợc thể hiện (T. squamosa (T. crocea + T. maxima)) (Benzie J. A. H. và cộng sự, 1998).
Mặc dù các nghiên cứu trƣớc sử dụng nhiều loại chỉ thị phân tử khác nhau nhƣng vẫn chƣa giải quyết đƣợc mối quan hệ giữa các loài trai tai tƣợng T. crocea, T. maxima và T. squamosa. Do đó, Nuryanto và cộng sự (2007) đã sử dụng trình tự gen CO1
mtDNA của 4 loài T. crocea, T. maxima, T. squamosa, T. gigas để kiểm tra mối quan hệ giữa 3 loài thuộc phân giống Chametrachea. Kết quả cho thấy, các loài trai tai
tƣợng tạo thành một nhóm đồng dạng. Trong đó, T. crocea gần gũi với T. squamosa
hơn là T. maxima; T. crocea và T. squamosa lập đƣợc nhóm với nhau và nhóm gần gũi với T. maxima và T. gigas (Nuryanto A và cộng sự, 2007). Kết quả này phù hợp với
các kết quả nghiên cứu trƣớc đó sử dụng gen 16S DNA ty thể và 18S DNA nhân. Nhƣ vậy, việc sử dụng rộng rãi các chỉ thị phân tử của DNA ty thể và DNA nhân đã dần dần làm sáng tỏ mối quan hệ tiến hóa của các loài trai tai tƣợng, góp phần cung cấp các dữ liệu cần thiết cho việc bảo tồn loài trai tƣợng trên thế giới.
1.4.2.2 Nghiên cứu đa dạng di truyền quần thể trai tai tƣợng (Tridacna spp.)
Hiện nay, trên thế giới nhiều công trình nghiên cứu về đa dạng di truyền và cấu trúc quần thể của trai tai tƣợng đã đƣợc thực hiện, nhằm bảo tồn và lƣu giữ nguồn gen quý hiếm này.
Benzie và Williams (1995) đã nhận thấy sự khác biệt về cấu trúc di truyền giữa các quần thể của Tridacna gigas còn lại trên thế giới khi so sánh đa dạng allozyme tại 7 locus đa hình của quần thể loài này ở 13 địa điểm vùng tây Thái Bình Dƣơng (bao gồm khu vực Silliman – Philippine, đảo san hô Mili thuộc quần đảo Marshall, đảo Abemama thuộc quần đảo Kiribati, các đảo Marovo, Isabel, Nggela, Russel thuộc quần đảo Solomon, các khu vực Stapleton, Michaelmas, Thetford, Myrmidon, Grub thuộc rạn san hô Great Barrier) (Benzie J. A. H. và cộng sự, 1995). Phân tích Cluster xác định đƣợc hai nhóm quần thể chính theo khu vực địa lý: trung tâm Thái Bình Dƣơng gồm Kiribati và quần đảo Marshall; và nhóm tây Thái Bình Dƣơng bao gồm tất cả các quần thể còn lại. Trong nhóm thứ hai, quần thể Great Barrier Reef (GBR) có sự khác biệt đáng kể so với quần thể ở quần đảo Solomon. Tại đây, ngƣời ta nhận thấy các
dòng chảy chính của sự di chuyển gen không song song với bề mặt dòng chảy nhƣ dự đoán, mà vƣợt qua các dòng chảy này. Trao đổi gen đã đƣợc giới hạn hƣớng đông – tây giữa miền Trung và Tây Thái Bình Dƣơng, quần thể GBR và quần đảo Solomon.
Việc thiếu sự tƣơng ứng giữa các dòng chảy bề mặt chính và sự di chuyển gen cho thấy rằng cấu trúc di truyền của T. gigas phản ánh lịch sử di cƣ của loài không còn xảy ra nữa, mà ngày nay nó đã bị phân tán. Những phát hiện này đã đặt ra câu hỏi có liên quan đến nguồn gốc và sự duy trì tính đa dạng di truyền trong quần đàn động vật Thái Bình Dƣơng và có ý nghĩa quan trọng đối với nuôi trồng hải sản và sự bảo tồn loài trai tai tƣợng T. gigas.
Great Barrier (GB) là một trong những hệ thống rạn san hô lớn còn lại ở khu vực Thái Bình Dƣơng, nơi mà loài trai tai tƣợng khổng lồ T. gigas đƣợc tìm thấy với số lƣợng lớn. Bezie và Williams (1992) nghiên cứu đa dạng di truyền của các quần thể T.
gigas tại các địa điểm ở trung tâm và phía Bắc của rạn san hô GB. Mặc dù sự cách địa
lý lớn hơn 1000km, nhƣng sự khác biệt di truyền là rất thấp. Sự thiếu khác biệt di truyền theo không gian giữa các quần thể này không hoàn toàn đồng nghĩa với sự thiếu đa dạng di truyền. Đa dạng di truyền trong quần thể là rất lớn, với tỷ lệ dị hợp tử quan sát đƣợc là 0,221–0,250 (Benzie J. A. H. và cộng sự, 1992). Tần suất gen phù hợp với điều kiện của cân bằng Hardy–Weinberg. Những dữ liệu này cho thấy giao phối ngẫu nhiên xảy ra trong cả hệ thống rạn san hô và có sự kết nối của vùng trung tâm và vùng phía bắc GB. Việc trao đổi gen giữa các quần đàn trai tai tƣợng có ý nghĩa quan trọng đối với quản lý bảo tồn quần thể T. gigas trên thế giới.
Theo nghiên cứu của Evan và Jerry (2006), dữ liệu từ Inter-Simple Sequence Repeat loci (ISSR) cho thấy cấu trúc di truyền trong 4 quần thể trai tai tƣợng (bao gồm các rạn Stapleton, Thetford, Myrmidon, Gub) ở phía bắc và trung tâm của rạn GB có mức độ đa dạng thấp (ΦPT = 0,0322, p = 0,005), trong đó có sự khác biệt di truyền rõ ràng giữa các quần thể từ vùng rạn Thetford và Grub (Evans B.S. và cộng sự, 2006). Dữ liệu cho thấy không có sự khác biệt di truyền đáng kể giữa các quần thể tại đây.
Các khu vực lấy mẫu ở GB là khoảng một phần tƣ vùng phân bố của T.gigas. Sự khác biệt cấu trúc di truyền có thể hình thành giữa miền bắc và miền nam GB. Vì vậy, các chính sách bảo tồn đối với T. gigas nên đƣợc tiến hành dựa vào sự di chuyển gen của chúng trong khu vực GB.
Benzie và Willams (1997) khảo sát sự đa dạng di truyền tại 8 locus đa hình của 19 quần thể trai tai tƣợng T. maxima ở khu vực tây và trung tâm Thái Bình Dƣơng. Kết quả cho thấy kiểu đa dạng di truyền đã đƣợc quan sát ở loài T. gigas trƣớc đây (Benzie J. A. H. và cộng sự, 1995; 1992) không phù hợp với loài này và có thể phản ánh cấu trúc di truyền cơ bản của các loài sinh vật biển sống ở vùng nƣớc nông. Quần thể T.
maxima ở hệ thống rạn có sự kết nối cao nhƣ rạn san hô GB (trung bình FST < 0,003), nhƣng có sự khác biệt di truyền giữa các nhóm rạn san hô trên các quần đảo khác nhau, giữa tây và trung tâm Thái Bình Dƣơng. Sự di chuyển gen giữa Philippine và GB, giữa Philippine và Melanesia (quần đảo Solomon và Fiji), giữa Philippine và trung tâm nhóm đảo Thái Bình Dƣơng (đảo Marshall, Kiribati, Tuvalu và quần đảo Cook) đƣợc ghi nhận là ở mức độ thấp. Các tuyến đƣờng của sự di chuyển gen đƣợc nhận định là vuông góc với dòng chảy đại dƣơng ngày nay (Benzie J. A. H. và cộng sự, 1997).
Khảo sát cấu trúc di truyền quần thể của trai tai tƣợng T. crocea ở quần đảo Indo– Malay bằng chỉ thị phân tử Cytochrome oxidase I (COI). Kochzius và Nuryanto (2008) đã nhận thấy cấu trúc di truyền rõ rệt của loài này và nó đƣợc phân tách bởi khoảng cách địa lý. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, sự di chuyển gen bị giới hạn giữa tất cả các vùng thu mẫu. Giá trị ΦST = 0,28 là rất cao so với những nghiên cứu khác trên các loài trai tai tƣợng. Theo sự khác biệt di truyền, các vùng thu mẫu có thể đƣợc chia thành bốn nhóm từ tây sang đông: (i) đông Ấn Độ Dƣơng, (ii) biển Java, (iii) biển Đông, trong các dòng chảy của Indonesia, cũng nhƣ các vùng biển phía đông của Sulawesi, và (iv) tây Thái Bình Dƣơng (Kochzius M.,Nuryanto A., 2008). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tiếp theo, Juinio-Menez và cộng sự (2003) đã nghiên cứu để so sánh sự đa dạng và mối quan hệ di truyền của T. crocea giữa các rạn san hô ở Palawan, Philippine.
Trong đó có 2 – 5 quần thể đƣợc thu mẫu từ một trong bốn khu vực: Các rạn san hô thềm ở phía bắc Palawan, phía nam Palawan và các rạn san hô ngoài khơi, nhóm đảo