Một nhóm nghiên cứu đã phát triển một bộ cảm biến sinh học mà lần đầu tiên đã ghi nhận rằng một gradient riêng biệt của chất điều hòa sinh trưởng gibberellin liên quan tới kích thước tế bào thực vật và đã giải thích con đường tạo ra mô hình phân bố này được hình thành ở bộ phận của rễ.

Bắt đầu từ khi một phôi thực vật hình thành bên trong hạt và tiếp tục trong suốt vòng đời của cây, các tế bào gốc chưa biệt hóa trải qua quá trình biến đổi căn bản thành các tế bào rễ, thân, lá và cơ quan sinh sản chuyên biệt. Sự biến đổi này dựa trên một tập hợp các phân tử được gọi là phytohormone, giống như hormone của con người, có thể di chuyển giữa các tế bào và mô, kích hoạt các quá trình sinh học khác nhau trong toàn bộ cơ thể. Mặc dù người ta vẫn chưa biết vào thời điểm đó, nhưng các đột biến liên quan đến lớp gibberellin của phytohormone là nguyên nhân đằng sau sự phát triển của nhiều giống lúa và lúa mì bán lùn năng suất cao đã góp phần thúc đẩy cuộc Cách mạng Xanh trong những năm 1950 và 60.

Các đột biến dẫn đến kết quả là thân ngắn hơn, cho phép cây trồng chuyển hướng năng lượng vào trong hạt đang phát triển chứ không phải thân và lá và cũng ngăn chặn sự đổ vỡ gây ra khi những cây thân cao đổ rạp trước khi thu hoạch. Giờ đây, chúng ta đã biết thông qua những tiến bộ trong công cụ sinh học phân tử và di truyền cho thấy gibberellins (GA) điều chỉnh sự tăng trưởng và phát triển trong suốt vòng đời của thực vật - từ hạt nảy mầm, thân và rễ dài đến sự hình thành hoa. Do đó, không có gì đáng ngạc nhiên khi GA tiếp tục thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học thực vật nghiên cứu cách các hormone kiểm soát sự phát triển của thực vật và là mục tiêu khả thi cho các cải tiến cây trồng trong tương lai.

Sự hợp tác giữa các nhóm nghiên cứu của Alexander Jones, Phòng thí nghiệm Sainsbury tại Đại học Cambridge, Leah Band và Markus Owen tại Đại học Nottingham, giải thích các bước sinh hóa tương ứng chịu trách nhiệm cho sự phân bố GA đặc biệt được thấy trong sự phát triển của thực vật ở PNAS ngày nay. Nghiên cứu của họ cung cấp một mẫu/mô hình có giá trị để hiểu các mẫu phần/mô hình GA trong các mô thực vật khác và ảnh hưởng liên quan đến sự phát triển của cây trồng.

Tiến sĩ Annalisa Rizza, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Như là những chất điều hòa sinh trưởng, phát triển thực vật cốt lõi, hiểu biết về hormone thực vật là rất quan trọng để biết được động thái phát triển của cây trồng, cách thức thực vật phản ứng với môi trường và giúp xác định các mục tiêu trong tương lai để cải thiện an ninh lương thực.

“GA được biết là điều chỉnh sự tăng trưởng của tế bào và sự mở rộng tế bào để tăng tốc độ rễ phát triển, tuy nhiên, chúng tôi vẫn chưa có bức tranh đầy đủ về con đường hình thành này. Trước đây chúng tôi đã quan sát thấy có một gradient dọc riêng biệt của GA từ đầu rễ đến vùng kéo dài của rễ tương quan với kích thước tế bào ở rễ đang phát triển của cây mô hình Arabidopsis thaliana. Chúng tôi cũng quan sát thấy một gradient do GA ngoại sinh tạo ra với sự tích tụ GA nhanh hơn trong các ô lớn hơn, nhưng chúng tôi không biết làm thế nào những mẫu này được tạo ra”.

Để giúp tìm ra câu trả lời, các nhà nghiên cứu đã kết hợp các mô hình toán học với các quan sát thực nghiệm để đi sâu vào các tế bào để xem các hoạt động sinh hóa và vận chuyển có thể chịu trách nhiệm gì.

Các nhà toán học từ Đại học Nottingham, Tiến sĩ Leah Band và Giáo sư Markus Owen, đã phát triển một mô hình tính toán để mô phỏng động lực học của hormone GA trong rễ cây, cho phép họ kiểm tra các quá trình khác nhau đóng góp như thế nào vào gradient GA. Họ so sánh kết quả của các mô phỏng máy tính của họ với các quan sát thực nghiệm từ cảm biến sinh học GA do nhóm nghiên cứu Jones phát triển.

“Sau khi xem xét các kịch bản khác nhau, chúng tôi nhận thấy rằng các dự đoán của mô hình chỉ có thể phù hợp với dữ liệu cảm biến sinh học GA miễn là các tế bào vùng kéo dài có tổng hợp GA cao và tăng tính thấm”, Tiến sĩ Band cho biết.

Bước tiếp theo là kiểm tra những dự đoán này thông qua các thí nghiệm. Sử dụng cảm biến sinh học GA, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các bước quan trọng liên quan đến sinh tổng hợp GA và xác định các bước giới hạn tốc độ quan trọng liên quan đến các enzym tham gia sinh tổng hợp GA và tính thấm khác biệt trong màng tế bào cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra các gradient GA.

Ngoài việc tổng hợp GA cục bộ, khả năng GA di chuyển giữa các tế bào cũng được coi là một yếu tố quan trọng. Nhóm nghiên cứu đã xem xét tính thấm của màng tế bào đối với GA và nhận thấy sự khác biệt về tính thấm của tế bào đã góp phần tạo ra gradient, GA ngoại sinh.

 “Một lượng nhỏ các hormone hóa học này có thể lập trình lại một tế bào thực vật và thay đổi hoàn toàn sự phát triển và sinh lý của nó. Tế bào thực vật nào sản xuất các chất hóa học này? Các hormone hóa học này đi đâu và khi nào? Đây là những câu hỏi cốt lõi mà chúng tôi đang cố gắng trả lời”, Tiến sĩ Jones đã giải thích.

“Sự hiểu biết chi tiết này về cách phân bố GA liên quan đến sự phát triển của rễ và cách những gradient này được kiểm soát cung cấp một mô hình có giá trị để nâng cao hiểu biết của chúng ta về cách phân phối hormone ảnh hưởng đến cách thực vật phát triển”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Nottingham.