Cỏ phấn thông thường — loài cỏ dại gây dị ứng khét tiếng, có nguồn gốc từ Bắc Mỹ — thể hiện sự linh hoạt đáng kinh ngạc ở cấp độ di truyền. Khi loài cây này chinh phục những vùng lãnh thổ mới, nó thực chất viết lại bộ gen của mình để thích nghi với điều kiện địa phương. Một nghiên cứu gần đây của nhóm các nhà khoa học thuộc Đại học Monash cho thấy các quần thể cỏ phấn ở Úc mang bộ gen lớn hơn đáng kể so với họ hàng xa của chúng ở Bắc Mỹ và châu Âu — mức chênh lệch trung bình là 100–120 triệu cặp base.
Cỏ phấn lá ngải (Ambrosia artemisiifolia) đã thực hiện một cuộc hành trình dài khắp địa cầu, đến nay đã bao phủ gần như mọi khu vực trên thế giới. Đến Úc tương đối muộn — khoảng một thế kỷ trước — và ban đầu suýt biến mất, trải qua một nút thắt quần thể khắc nghiệt. Tưởng chừng như số ít cây sống sót phải khuất phục trước quán tính di truyền thông thường. Thay vào đó, một điều kỳ diệu đã xảy ra: các quần thể địa phương có được gánh nặng bộ gen lớn hơn đáng kể so với đồng loại ở Bắc Mỹ và châu Âu.
Đằng sau sự mở rộng bộ gen này là một cơ chế phân tử đầy kịch tính. Thủ phạm chính là các yếu tố di truyền di động, được ví von là «gen nhảy». Những đoạn DNA này có khả năng nhân lên và di chuyển trong bộ gen, giống như một loại virus kỹ thuật số trong máy tính. Ở cỏ phấn, những yếu tố như vậy chiếm một phần khổng lồ của bộ gen — khoảng 62%, biến loài cây này thành một phòng thí nghiệm sống về di truyền học di động. Rõ ràng chính những yếu tố nhảy nhót này chịu trách nhiệm cho mức tăng kích thước bộ gen đo được ở các quần thể Úc.
Để hiểu rõ bản chất của hiện tượng này, các nhà nghiên cứu đã phân tích 439 cây từ ba châu lục, đối chiếu kích thước bộ gen với các biến số khí hậu. Một quy luật rõ ràng đã lộ ra: trong điều kiện ấm hơn, bộ gen trở nên lớn hơn. Quan sát này mở ra một góc nhìn mới về bản chất phân tử của sự thích nghi với khí hậu: mối liên hệ trực tiếp giữa nhiệt độ và sự bành trướng của các yếu tố di động.
Ở Bắc Mỹ và châu Âu, bức tranh phức tạp hơn. Sự khác biệt về kích thước bộ gen giữa các quần thể vượt xa những gì có thể giải thích bằng trôi dạt di truyền đơn thuần — có điều gì đó mang tính hệ thống hơn, chỉ ra sự chọn lọc tự nhiên. Còn ở Úc, dường như một điều khác đã xảy ra: thảm họa nhân khẩu học khi xâm nhập lần đầu bất ngờ đóng vai trò chất xúc tác. Khi quần thể thu hẹp đột ngột, những đột biến hiếm có thể được cố định một cách ngẫu nhiên, bao gồm cả việc kích hoạt các yếu tố di động. Khí hậu mới của Úc — ấm áp và thuận lợi cho loài này — dường như đã cố định những thay đổi di truyền ấy, ghi chặt chúng vào quần thể mới.
Những phát hiện này đã làm lung lay quan niệm cổ điển về bộ gen như một đặc điểm tương đối bảo thủ, ổn định của loài sinh vật. Từ lâu người ta cho rằng kích thước bộ gen là một đặc tính gần như cố định, được di truyền mà không có thay đổi đáng kể. Tuy nhiên giờ đây đã rõ: khi áp lực từ các yếu tố sinh thái và nhân khẩu học đủ mạnh, bộ gen có thể tái cấu trúc chỉ trong vài thế hệ, thể hiện sự linh hoạt tiến hóa mà trước đây người ta đã đánh giá thấp.
Đối với loài cỏ dại gây dị ứng này, điều đó có nghĩa là khả năng thích nghi với khí hậu đang thay đổi và các hệ sinh thái mới còn cao hơn nữa. Hiểu được những cơ chế này là điều tối quan trọng không chỉ đối với sinh học lý thuyết và các loài xâm lấn. Nó có ứng dụng thực tiễn trực tiếp: các nhà khoa học giờ đây có thể dự đoán chính xác hơn nơi nào và với tốc độ nào những loài cây nguy hiểm có thể bám rễ ở các vùng mới khi khí hậu ấm lên. Kiến thức này có thể giúp xây dựng các chiến lược kiểm soát và quản lý hiệu quả hơn đối với các quần thể xâm lấn.
Bước quan trọng tiếp theo là làm sáng tỏ cơ chế cụ thể. Liệu những bộ gen phình to có giúp cây tồn tại trực tiếp trong môi trường xa lạ — chẳng hạn thông qua việc sản xuất những protein mới cần thiết trong khí hậu nóng? Hay những thay đổi bộ gen chỉ là tác dụng phụ, được nút thắt quần thể cố định một cách tình cờ, mà thực ra chẳng mang lại lợi ích gì? Câu trả lời cho câu hỏi này sẽ đưa hiểu biết của chúng ta lên một tầm chính xác mới.
Việc quan sát cỏ phấn cải tạo triệt để bộ gen của chính mình chỉ trong một hay hai thế kỷ nhắc nhở chúng ta một bài học quan trọng: ngay cả những loài bình thường, quen thuộc cũng có thể khiến ta kinh ngạc bởi sự linh hoạt tiến hóa và tiềm năng thích nghi của chúng. Theo dõi chặt chẽ những thay đổi bộ gen trong thời gian thực — đó chính là điều mà sinh học hiện đại cần để hiểu được cách sự sống phản ứng với một thế giới đang biến đổi nhanh chóng.
