Sự phát triển của giao tử cái được quan sát trong 20 giờ, cho thấy rõ ràng sự phân chia của các nhân và hình thành các tế bào trứng, trung thể và đồng hợp. Nguồn: Issey Takahashi.

Các nhà khoa học từ Đại học Nagoya, Đại học Yokohama và Đại học Chubu đã phát triển một hệ thống cho phép ghi hình trực tiếp quá trình hình thành giao tử cái ở thực vật.

Ở thực vật có hoa, tế bào sinh tinh và tế bào trứng gặp nhau và quá trình thụ tinh diễn ra ở hoa. Trong khi các tế bào sinh tinh được tạo ra trong phấn hoa, các tế bào trứng được tạo ra trong noãn, cấu trúc trở thành hạt giống. Tuy nhiên, do noãn bị đẩy sâu trong nhụy nên cho đến nay người ta không thể quan sát được sự hình thành của tế bào trứng ở thực vật.

Nhóm nghiên cứu do tiến sỹ Daisuke Kurihara và tiến sỹ Tetsuya Higashiyama thuộc Viện phân tử sinh học biến đổi của Đại học Nagoya (WPI-ITbM) dẫn đầu, Tiến sĩ Daichi Susaki thuộc Viện Nghiên cứu sinh học thuộc Đại học Yokohama và Tiến sĩ Takamasa Suzuki của Đại học Chubu, Trường Đại học Công nghệ Sinh học và Khoa học Sinh học, sử dụng công nghệ nuôi cấy noãn mà họ đã phát triển trước đây, đã thành công trong việc chụp ảnh tế bào trứng được hình thành bên trong noãn. Trên hết, họ có thể phân lập tế bào trứng và các tế bào lân cận và bằng cách phân tích các gen biểu hiện trong một vài tế bào này, xác định cách các tế bào liền kề với tế bào trứng quyết định số phận của nó.

Các sinh vật thực hiện sinh sản hữu tính tạo ra con cái thông qua quá trình thụ tinh có sự tham gia của các giao tử đực và cái. Ở động vật, giao tử cái (trứng) được tạo ra bởi sự phân bào giảm nhiễm (meiosis), một kiểu phân chia tế bào làm giảm một nửa số lượng nhiễm sắc thể có trong tế bào. Tuy nhiên, quá trình ở thực vật ra hoa là lâu hơn, sau quá trình phân chia giảm nhiễm (meiosis), phân chia nhân (karyomitosis) diễn ra ba lần trong tế bào, dẫn đến việc tạo ra một tế bào duy nhất có tám nhân. Tế bào này sau đó phân chia, tạo ra các tế bào với nhiều vai trò khác nhau bao gồm hai giao tử là tế bào trứng và tế bào trung tâm và tế bào đồng hợp. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa hiểu chính xác cách thức hai giao tử cái được tạo ra trong số bảy tế bào mới là kết quả của quá trình phân chia này.

Sử dụng phương pháp nuôi cấy noãn, nhóm nghiên cứu đã cố gắng quan sát trong thời gian thực về sự hình thành giao tử cái ở Arabidopsis thaliana. Họ thấy rằng khi lần phân chia nhân đầu tiên diễn ra, hai nhân thu được sẽ đi về hai đầu đối diện của tế bào. Phân chia một lần nữa thành bốn, các nhân sau đó xếp thành hàng dọc theo cạnh của tế bào. Cuối cùng, sự phân chia lại thành tám, các màng sinh chất được hình thành xung quanh nhân, tạo thành các tế bào được gắn với hai giao tử (tế bào trứng và tế bào trung tâm). Sau khi quan sát 157 trường hợp của quá trình phân chia này, họ phát hiện ra rằng các nhân gần nơi ống phấn xâm nhập sẽ trở thành nhân của tế bào đồng hợp, trứng và tế bào trung tâm, chứng tỏ rằng vị trí của các nhân trong tế bào có mối tương quan chặt chẽ với số phận tế bào.

Tiếp tục nghiên cứu để tìm ra thời điểm xác định số phận của các tế bào khác nhau, họ đã phân tích thời điểm bắt đầu biểu hiện của yếu tố phiên mã cụ thể myb98, rất quan trọng đối với sự biệt hóa và chức năng của các tế bào trợ hiệp, đã được khởi đầu. Họ đã phát hiện ra phiên mã myb98 bắt đầu được biểu hiện rất nhanh sau khi nhân phân chia thành 8 và được bao bọc bởi màng sinh chất. Do yếu tố phiên mã cụ thể cho tế bào trứng cũng có thể được tìm thấy trong tế bào trứng ở cùng giai đoạn đầu, nên có thể coi số phận tế bào được xác định ngay sau khi hình thành màng sinh chất, hoặc thậm chí có thể sớm hơn.

Thời điểm xác định số phận tế bào là rất quan trọng vì nó cho chúng ta cái nhìn sâu sắc về cách thực vật duy trì thích nghi với điều kiện môi trường bằng cách thay đổi linh hoạt số phận tế bào và do đó đảm bảo sự tồn tại của các tế bào quan trọng như giao tử.

Hướng đến tương lai, trọng tâm của nhóm nghiên cứu sẽ là khám phá cách thực hiện quá trình thay đổi số phận tế bào và giải thích cơ chế phân tử của nó. Một khi cơ chế phân tử đã được phân tích, người ta kỳ vọng rằng lĩnh vực nghiên cứu này sẽ góp phần phát triển các phương pháp tăng tỷ lệ thụ tinh của cây trồng và khả năng chống chịu với môi trường, mang lại triển vọng giải quyết các vấn đề quan trọng trong việc cung cấp lương thực ảnh hưởng đến hàng triệu người trên thế giới.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org