Ảnh hưởng của độ sâu đến sự tiến hóa của gen Hemoglobin của cá

 Việc sử dụng các mô hình hệ thống trong nhiều trường hợp cho thấy là một cách tiếp cận hữu hiệu. Tuy nhiên, đối với các loài cá ở ngoài biển khơi và thích nghi với vùng nước lạnh làm cho các thao tác thí nghiệm bị hạn chế và các kiến ​​thức sẵn có về chúng cũng nghèo nàn, so sánh hệ gen là một con đường mạnh mẽ đầy tiềm năng để khắc phục vấn đề trên.

Bộ cá Gadiformes là một nhóm lớn gồm 610  loài có giá trị kinh tế và sinh thái đáng kể phân bố trên khắp thế giới trong nhiều môi trường biển và nước ngọt. Các loài thuộc bộ Gibriformes đều có mặt từ vùng nước cạn đến vùng biển sâu. Các bằng chứng về hóa thạch và phylogenetic cho thấy tổ tiên của cá tuyết là một loài cá biển sâu, sau này đa dạng hóa thành các loài sống ở vùng nước nông hơn.

Việc xác định các đặc điểm sinh học quan trọng cho quá trình tiến hóa không phải dễ dàng, đặc biệt là vì các loài thích nghi vùng biển sâu không được nghiên cứu kỹ. Chúng phân bố trong khoảng vĩ độ và kinh độ rộng lớn với các điều kiện môi trường, bao gồm nhiệt độ, oxy hoà tan và áp suất thủy tĩnh khác nhau. Gen-hemoglobin (Hb) là một chỉ tiêu hàng đầu cho nghiên cứu khả năng thích ứng phân tử theo chiều sâu bởi vì mối quan hệ giữa cấu trúc và chức năng cũng như mối liên hệ giữa các yếu tố môi trường rất đặc trưng.

Protein Hb là một thành phần chính của hô hấp, bao gồm hai tiểu đơn vị α và β- globin được lắp ráp thành một tetramer. Cá tuyết đã phát triển nguồn Hb đa dạng hơn so với các loài động vật có xương sống khác do dòng máu lạnh và mạng lưới hô hấp, và do đó tiếp xúc rộng hơn về nhiệt độ và oxy. Nền tảng của sự đa dạng này là một phần gắn liền với sự sao chép toàn bộ gen của teleost (TGD) 320-400 Ma, kết quả là hai cụm Hb nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau; cụm sao LA và cụm MN, tương ứng. Khi phân lập bộ gen của cá tuyết Đại Tây Dương (Gadus morhua) khẳng định rằng nó chứa 4 gien α và 5 gien β17 hemogbin, và sự đa dạng cao của các gen Hb có thể làm tăng khả năng phản ứng với các điều kiện môi trường khác nhau. Hơn nữa, gen β1 hiển thị một độ dốc dọc theo hai chiều giữa haplotypes, có thể liên quan đến sự thích ứng nhiệt độ. Hb có thể có ý nghĩa quan trọng trong việc thích nghi với nhiều môi trường khác nhau được sở hữu sở hữu từ  các loài trong bộ Gadiformes.

Các nguồn Hemoglobin trong bộ Gadiformes

Số bản sao của Hb tỷ lệ nghịch với độ sâu

Để điều tra mối quan hệ giữa số lượng gen Hb quan sát được và các yếu tố môi trường - ví dụ: Phân bố địa lý và độ sâu của Gadiformes  - nhóm nghiên cứu đã sử dụng cách tiếp cận so sánh hình thái thực hiện trong chương trình R - Slouch. Đối với phân bố theo độ sâu,họ chọn độ sâu tối đa như là một chỉ báo về sự xuất hiện thông thường vì các loài cá tuyết thường bơi gần đáy.

Sự suy giảm đáng kể số lượng gen Hb ở các  độ sâu cho thấy việc đa dạng hóa môi trường sống ở các vùng sâu được tạo điều kiện bằng việc mở rộng các gen Hb bên trong Gadiformes.

Ý nghĩa thích nghi của sự đa dạng

Hb trong các loài cá nói chung là không rõ ràng, tuy nhiên, có một vài nghiên cứu thực nghiệm so sánh các loài liên quan chặt chẽ trong một bối cảnh sinh thái chứng minh rằng các loài ở vùng nước nông có sự đa dạng của Hbs và liên kết với O₂ cao hơn và độ nhạy pH thấp hơn các loài sinh sống trong môi trường sống sâu hơn. Các loài đặc trưng của nước lạnh ở Nam Cực là các loài sinh sống trong vùng nước lạnh – môi trường ít biến động - cho thấy nguồn gen Hb cực kỳ hẹp, thậm chí là mất mát hoàn toàn trong họ Channichthyidae. Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng sự tiến hóa của Hb được điều khiển bởi sự thích ứng nhiệt độ, điều này không đáng ngạc nhiên vì thực tế ái lực O₂ tương quan nghịch với nhiệt độ. Nhiệt độ và áp suất thuỷ tĩnh là những tác nhân chủ yếu trong việc thích nghi sâu, tuy nhiên, có thể có các điều khiển chọn lọc khác tương quan với độ sâu biểu hiện bằng số bản sao của gen Hb.  

Kết luận

Nghiên cứu trên là một  phát hiện quan trọng  về mối tương quan giữa số lượng các gen Hb và chiều sâu đại dương, với số lượng cao nhất ở các loài sống ở vùng nông, vùng ven biển. Hơn nữa, họ chứng minh rằng các gen Hb đã được phân chia theo chức năng thông qua việc đa dạng hóa môi trường sống.