Arabidopsis thaliana - Bức chân dung di truyền của một cấy làm mẫu có giá trị để phân tích hệ gen

1)Tính chất sinh học của A. thaliana

Dạng ngoài của Arabidopsis thaliana. Cùng họ với Arabidopsis thalianacòn có một số rau xanh quan trọng như củ cải (Raphnus spp.), cải xoong nước (Nasturticum officinale) cũng như cây cho dầu: mù tạt đen (Brassica nigra) và mù tạt (B. juncea). Hệ gen của chúng đều có tính tương ứng song song ở mức độ cao với hệ gen của Arabidopsis thalianavà vì vậy là đặc biệt thuận lợi cho thao tác di truyền thông qua việc biến nạp các đoạn gen đã nhận biết trong họ hàng cỏ dại Arabidopsis thaliana. Từ các quần thể tự nhiên, các nhà khoa học đã thu thập được nhiều ecotip khác nhau, sẵn sàng cho các phân tích thực nghiệm như hai ecotip Columbia và Landsberg được thừa nhận như là mẫu tiêu chuẩn cho các nghiên cứu di truyền và phân tử thực vật. Toàn bộ chu trình sống bắt đầu với sự nảy mầm hạt cho đến khi hạt đầu tiên chín chỉ vẻn vẹn có sáu tuần. Về kích thước thì Arabidopsis thalianalà bé nhỏ có thể nằm gọn trong lòng bàn tay, vì vậy có thể gieo nhiều hạt trong các đĩa Petri hoặc trong các chậu thí nghiệm. Arabidopsis thalianasinh trưởng tốt trong phòng thí nghiệm, đòi hỏi tương đối ít ánh sáng và với nhiệt độ trung bình từ 22 - 26 ^oC là đủ để Arabidopsis thalianasinh trưởng và phát triển bình thường. Kết thúc vòng đời tạo vô số hạt li ti trong thời gian ngắn. Đặc biệt, hạt có thể nảy mầm cao trong phòng thí nghiệm. Hoa lưỡng tính, dài 2mm, tự thụ phấn và có thể thụ phấn chéo nhân tạo nhờ cho hạt phân vào bề mặt núm nhụy. Hoa gồm một vòng ngoài với bốn lá đài xanh lục và vòng trong có bốn tràng màu trắng. Vòng tiếp theo với sáu bao phấn mang hạt phấn và ở trung tâm là bộ nhị cái. Chutrình sống của Arabidopsis thalianacũng bao gồm sự xen kẽ giữa các thế hệ thể bào tử lưỡng bội (2n) và thế hệ thể giao tử đơn bội (n). Sau khi gieo ba tuần, cây sinh trưởng nhanh rồi ra hoa và trải qua thụ tinh kép như các thực vật có hoa khác và tiếp theo là kết hạt trong quả giác trên cụm hoa trong một vài tuần trước khi cây bắt đầu quá trình lão hóa. Cây trưởng thành có đường kính từ 2 đến 10 cm phụ thuộc điều kiện sinh trưởng. Arabidopsis thalianacó chiều cao từ 15 - 20 cm và thường tạo ra một vài trăm quả với tổng hơn 5.000 hạt. Hạt dài 0,5 mm. Lá được bao phủ lông đa bào và là vật mẫu thuận lợi cho nghiên cứu quá trình phát sinh hình thái và phân hóa tế bào. Rễ có cấu trúc đơn giản, thuận lợi trong nuôi cấy mô tế bào và không cộng sinh với vi khuẩn cố định nitơ. Các tác nhân gây bệnh tự nhiên gồm nhiều vi khuẩn, nấm và virus.

Hệ gen và kiểu nhân

Cuối năm 2000, tạp chí Nature và Science đã công bố toàn bộ kết quả phân tích toàn bộ trình tự hệ gen Arabidopsis thaliana. Hệ gen của nó gồm khoảng 100 Mb (megabasepair: 1.000 kb hay 1.000.000 bp) là một trong các hệ gen bé nhất của nhóm thực vật hạt kín và một vài nhiễm sắc thể bé nhất của Arabidopsis thalianatrung bình chỉ dài 14 Mb.

Số nhiễm sắc thể: 2n = 10.

Hàm lượng AND2C: 0,45 pg (0,45 picrogram = 0,45 x 10 ^-12gram).

Hàm lượng ADN1C: 70x10 ⁶bp (10 ⁶đôi bazơ)

Chiều dài bản đồ: xấp xỉ 600cM (centimorgan)

Để thấy hệ gen của Arabidopsis thaliana bé như thế nào, ta lấy thí dụ so sánh hệ gen của ngô ( Zea mays)cũng là một thực vật hạt kín lớn gấp 45 lần hệ gen của giun tròn ( Caenorhabditis elegans) và bằng 60% cỡ hệ gen của ruồi giấm ( Drosophila melanogaster). Arabidopsis thalianalà một thể lưỡng bội có tập tính tốt chỉ với năm nhiễm sắc thể đơn bội. AND nhân của Arabidopsis thaliananằm trong năm đôi nhiễm sắc thể nhỏ với các kiểu băng được xác định chắc chắn.

2) Hệ gen của Arabidopsis thalianađược kết cấu và tổ chức như thế nào?

Nét đặc trưng nổi bật nhất về cấu trúc và tổ chức của hệ gen Arabidopsis thalianalà hệ gen chứa ít đoạn ADN lặp lại và sự sắp xếp chặt của genom trong phân tử ADN. Cỡ hệ gen nhỏ bé của Arabidopsis thalianabắt nguồn từ sự thực cho rằng hệ gen chứa ADN lặp lại bé hơn nhiều so với hệ gen của các thực vật hạt kín khác. Các nhà di truyền phân tử tính rằng phần ADN lặp lại không mã hóa chỉ chiếm 20% hệ gen Arabidopsis thaliana. Trái lại, ở các thực vật hạt kín khác thì ADN lặp lại chiếm 70% hệ gen, còn ở lúa nước chí ít cũng chiếm đến 50%. Tuy Arabidopsis thalianacó hệ gen bé và chỉ có 5 đôi nhiễm sắc thể cũng mang một tổng 100 triệu nuclêôtit. Ở cây thuốc lá thì trái lại có thể có cùng số gen, nhưng số các clêôtít lớn gấp 15 lần của A. thaliana. Chính lượng ADN không mã hóa vượt trội này ở ngô cũng như thuốc lá và nhiều cây trồng khác càng gây khó khăn cho việc phát hiện gen và xác định chúng có chức năng gì (lí do là phải tốn rất nhiều thời gian, công sức và tài chính).

Như vậy, phần ADN không lặp lại chiếm 80% còn lại của hệ gen A. thaliana. Dự tính, hệ gen này chứa từ 15.000 - 20.000 gen có mặt trong 5 nhiễm sắc thể đơn bội. Điều đó có nghĩa là cứ mỗi đoạn 5kb của hệ gen thì có một gen. Đối với thực vật thì đây là sự sắp xếp gen rất chặt chẽ và tất nhiên nó biến thành một lợi thế so với thực vật khác. Hơn nữa, A. thalianachứa gen đại diện của tất cả các gen cần cho sự sinh trưởng và phát triển bình thường của thực vật cũng như các gen phổ biến đối với các dạng sống khác nhau, thí dụ các gen ARN riboxom và các Protein histon nhiễm sắc thể. Do đó có thể sử dụng các chuỗi (đoạn) ADN đặc hiệu đối với A. thalianađể phân biệt các gen có cùng chức năng trong nhiều loài thực vật khác.

Tóm lại, A. thalianacó một hệ gen bé nhỏ với 5 nhiễm sắc thể đơn bội. Mỗi nhiễm sắc thể chứa một lượng ADN lặp lại hạn chế nằm ngoài vùng tâm động và vùng gen kết thúc. Các gen của A. thalianamặc dù tương tự về cấu trúc với gen của các thực vật khác, nhưng được bao gói chặt chẽ hơn và chỉ chứa các itron nhỏ bé (vùng nội). Chính lịch trình tiến hóa của sinh giới đã phú cho hệ gen A. thaliana một tỷ lệ gen kết hợp với chức năng mã hoá và chức năng di truyền cao hơn nhiều so với thực trạng trong phần lớn thực vật. Điều đó phản ánh ở tỉ số tín hiệu - nhiễu cao hơn tính đặc trưng khiến cho A. thalianatrở thành một mô hình hay vật mẫu lý tưởng cho phân tích di truyền hiện tại và trong tương lai của sinh học phân tử - tế bào thực vật.