พฤกษศาสตร์: คลอโรพลาสต์จากพ่อ

เรื่องราวของดอกไม้และผึ้งเป็นบทนำแบบคลาสสิกสำหรับหัวข้อที่ยังคงพูดถึงกันน้อยมากในสังคมของเรา: เซ็กส์ในพืช! เมื่อพืชสืบพันธุ์ สเปิร์มภายในละอองเรณูจะหลอมรวมกับเซลล์ไข่ภายในดอกไม้ที่ละอองเรณูเกาะอยู่ ด้วยวิธีนี้สารพันธุกรรมของนิวเคลียสของเซลล์ของทั้งพ่อและแม่จะรวมกันในเมล็ด สิ่งนี้มีความสำคัญ เนื่องจากช่วยให้การกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายถูกกำจัดออกไป มิฉะนั้นอาจสะสมในสารพันธุกรรมหลายชั่วอายุคน ออร์แกเนลล์เก็บจีโนมของตัวเอง นอกจากสารพันธุกรรมในนิวเคลียสของเซลล์แล้ว ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ยังมีสารพันธุกรรมอีกด้วย ไมโทคอนเดรียเป็นเครื่องยนต์สันดาปของเซลล์ เซลล์สัตว์และพืชใช้พวกมันในการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตและใช้พลังงานที่ปล่อยออกมาสำหรับการเผาผลาญ พืชยังมีคลอโรพลาสต์ ประกอบด้วยคลอโรฟิลล์เม็ดสีเขียวและเป็นโรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ของเซลล์ คลอโรพลาสต์ช่วยให้พืชสะสมพลังงานแสงอาทิตย์ในกระบวนการที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อผลิตคาร์โบไฮเดรต ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์มีสารพันธุกรรมในตัวเอง เนื่องจากพวกมันเกิดจากแบคทีเรียที่บรรพบุรุษของเซลล์สัตว์และพืชสมัยใหม่นำมาเลี้ยงไว้เมื่อกว่าพันล้านปีก่อน ไมโทคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ได้สร้างชุมชนที่อยู่ร่วมกันภายในเซลล์ และตอนนี้อดีตเพื่อนร่วมห้องก็กลายเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการอยู่รอดของพืช เป็นที่ทราบกันดีว่าจีโนมของไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ ซึ่งแตกต่างจากสารพันธุกรรมในนิวเคลียสของเซลล์ ไม่ได้รับมรดกจากพ่อและแม่อย่างเท่าเทียมกัน ซึ่งแตกต่างจากสารพันธุกรรมในนิวเคลียสของเซลล์ ทั้งคู่ส่งต่อกันโดยแม่เท่านั้น เนื่องจากทั้งคู่ไม่ได้ป้อนสเปิร์มเลย หรือสารพันธุกรรมของพวกมันถูกย่อยสลายในเกสรดอกไม้ หากไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์จากพ่อและแม่ไม่เคยพบกัน ก็จะไม่สามารถมีเพศสัมพันธ์เพื่อแลกเปลี่ยนสารพันธุกรรมได้ ดังนั้นการกลายพันธุ์ทางพันธุกรรมที่เป็นอันตรายควรสะสมหลายชั่วอายุคนและส่งผลให้จีโนมล่มสลายในที่สุด นักวิทยาศาสตร์ประเมินพืชเกือบสี่ล้านต้น นักวิทยาศาสตร์จาก Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology ได้ค้นพบแล้วว่า ตรงกันข้ามกับความเชื่อทั่วไป ต้นยาสูบสามารถส่งผ่านคลอโรพลาสต์จากต้น พ่อ ได้เป็นประจำภายใต้สภาวะแวดล้อมบางอย่าง นักวิจัยได้สร้างต้นพ่อที่มีคลอโรพลาสต์ที่ต้านทานต่อยาปฏิชีวนะ จากนั้นพืชเหล่านี้จะถูกสัมผัสกับสภาพแวดล้อมต่างๆ เช่น ความร้อน ความเย็น ความแห้งแล้ง และแสงจ้าในระหว่างการสุกของละอองเรณู ละอองเรณูจากพืชเหล่านี้ถูกนำมาใช้เพื่อผสมเกสรกับต้นแม่ที่ไม่ได้ดัดแปลง เมล็ดพันธุ์ที่ผลิตจากไม้กางเขนนี้ปลูกบนอาหารเลี้ยงเชื้อที่มียาปฏิชีวนะที่เหมาะสม เนื่องจากมีเพียงคลอโรพลาสต์จากบิดาเท่านั้นที่อยู่รอดบนอาหารเลี้ยงเชื้อนี้ เซลล์ที่มีคลอโรพลาสต์จากต้นพ่อจึงปรากฏเป็นสีเขียว ในขณะที่พืชที่มีคลอโรพลาสต์จากมารดาเพียงอย่างเดียวจะมีสีซีด เนื่องจากคลอโรพลาสต์เหล่านี้เกิดการฟอกขาวเนื่องจากความไวต่อยาปฏิชีวนะ เนื่องจากคลอโรพลาสต์ที่สืบทอดทางบิดานั้นหายากมาก นักวิทยาศาสตร์จึงต้องตรวจสอบต้นกล้าเกือบสี่ล้านต้นเพื่อแสดงให้เห็นว่าสัดส่วนของคลอโรพลาสต์ที่สืบทอดทางบิดานั้นสูงกว่าภายใต้อุณหภูมิปกติถึง 150 เท่า การสืบทอดของคลอโรพลาสต์สามารถจัดการได้ หลังจากประสบความสำเร็จในขั้นต้นนี้ นักวิจัยได้เจาะลึกรายละเอียด: "เรารู้ว่าความเย็นทำให้การทำงานของเอนไซม์ช้าลง เราจึงสงสัยว่าเอนไซม์อาจมีส่วนร่วมในการปิดกั้นการสืบทอดของคลอโรพลาสต์จากบิดา" เอ็นริเก กอนซาเลซ-ดูแรน ผู้ซึ่งเคยเป็น ร่วมในการศึกษาด้วย นักวิทยาศาสตร์เลือกผลิตพืชที่มีเอนไซม์บกพร่อง ซึ่งโดยปกติจะย่อยสลายสารพันธุกรรมของคลอโรพลาสต์ระหว่างการสุกของละอองเกสร พืชที่มีเอนไซม์บกพร่องยังแสดงการสืบทอดของคลอโรพลาสต์จากบิดาเพิ่มขึ้นอย่างมาก เมื่อรวมกัน ข้อบกพร่องของเอนไซม์และการใช้ความเย็นในระหว่างการพัฒนาละอองเรณูทำให้อัตราการถ่ายทอดทางพันธุกรรมของบิดาอยู่ที่ 2-3 เปอร์เซ็นต์ "นี่อาจฟังดูไม่มากนัก แต่เป็นเรื่องใหญ่โตเมื่อเทียบกับโอกาส 1 ใน 100,000 ที่จะเกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติ การค้นพบว่าการสืบทอดของคลอโรพลาสต์สามารถควบคุมได้ด้วยอุณหภูมิและการเปลี่ยนแปลงของเอ็นไซม์แต่ละตัวในพืชได้เปิดโอกาสใหม่อย่างสมบูรณ์สำหรับการปรับปรุงพันธุ์พืช "เนื่องจากก่อนหน้านี้เคยคิดว่าไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ได้รับการถ่ายทอดร่วมกันเสมอ และมาจากแม่เท่านั้น จึงไม่มีทางที่จะถ่ายทอดลักษณะที่เข้ารหัสในสารพันธุกรรมของพวกมันแยกกันได้ ความเป็นไปได้ในการถ่ายทอดคลอโรพลาสต์จากพ่อด้วยเพียงแค่ใส่พืชเข้าไป ความหนาวเย็นสามารถเปิดประตูสู่โครงการปรับปรุงพันธุ์ใหม่ได้" Ralph Bock หัวหน้ากลุ่มวิจัยอธิบาย เหตุใดไมโตคอนเดรียและคลอโรพลาสต์ส่วนใหญ่จึงสืบทอดมาจากแม่นั้นยังไม่ชัดเจน ความจริงที่ว่าการสืบทอดประเภทนี้สามารถตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมได้อย่างยืดหยุ่นน่าจะทำให้นักชีววิทยาวิวัฒนาการต้องคิดใหม่เกี่ยวกับทฤษฎีและแบบจำลองปัจจุบันของพวกเขา "มันยังแสดงให้เห็นว่าการคำนึงถึงสภาพแวดล้อมมีความสำคัญอย่างไรในการวิจัยทางพันธุกรรม คลอโรพลาสต์ทำให้เราเชื่อมานานหลายทศวรรษว่าพวกมันใช้ชีวิตแบบเหยียดหยามทางเพศ แต่ตอนนี้เราไม่สามารถแน่ใจได้อีกแล้ว" บ็อคกล่าว