Bộ áo giáp hai-trong-một của rễ cây bảo vệ thực vật khỏi các tác nhân gây căng thẳng từ môi trường và chống lại biến đổi khí hậu

Phân tích tế bào đơn mới của Salk cung cấp cái nhìn chi tiết đầu tiên về lớp bảo vệ bên ngoài của rễ thực vật và các tế bào thu giữ carbon.

Thực vật có thể ăn sâu xuống đất và vươn về phía mặt trời, nhưng cuối cùng chúng bị kẹt ở nơi chúng nảy mầm, phụ thuộc vào các mối đe dọa từ môi trường như nhiệt độ, hạn hán và nhiễm trùng do vi khuẩn. Để bù đắp cho việc không thể đứng dậy và di chuyển khi gặp nguy hiểm, nhiều loài thực vật đã tiến hóa theo cách tự bảo vệ bằng cách thay đổi sinh lý của chúng, chẳng hạn như xây dựng lớp giáp xung quanh các bộ phận của cơ thể và rễ được gọi là periderm. Tuy nhiên, vì nhiều nhà sinh học thực vật nghiên cứu về sự phát triển của mô quan sát các cây non nên sự phát triển periderm sau này vẫn chưa được khám phá nhiều.

Các nhà nghiên cứu của Viện Salk đã cho ra mắt bản đồ biểu hiện gen toàn diện đầu tiên của lớp vỏ thực vật ở cấp độ tế bào đơn lẻ. Bản đồ cung cấp thông tin mới về các loại tế bào khác nhau tạo nên lớp vỏ thực vật và các gen và quá trình sinh học cụ thể nào kiểm soát sự phát triển của chúng. Điều này bao gồm những hiểu biết quan trọng về các tế bào phellem, rất giàu suberin, một phân tử giúp thu giữ và lưu trữ carbon dư thừa từ khí quyển trong thời gian dài. Các nhà khoa học hiện có thể sử dụng thông tin này để kích thích sự phát triển của lớp vỏ bảo vệ ở những cây đang phải đối mặt với căng thẳng về môi trường do biến đổi khí hậu. Họ cũng có khả năng thúc đẩy các gen tăng trưởng tế bào phellem để tạo ra những cây có khả năng thu giữ và lưu trữ carbon được cải thiện, đó là một mục tiêu chính của Sáng kiến Khai thác Thực vật của Salk.

Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Developmental Cell vào ngày 9 tháng 1 năm 2025.

Giáo sư Wolfgang Busch, tác giả chính của nghiên cứu, giám đốc Sáng kiến Khai thác Thực vật và Chủ tịch Hess về Khoa học Thực vật tại Salk cho biết: “Thực vật đóng vai trò quan trọng trong việc thu giữ carbon từ khí quyển và lưu trữ trong đất. Lớp ngoài bảo vệ của rễ cây, được gọi là periderm, bao gồm nhiều tế bào có thể lưu trữ carbon ở dạng rất bền. Bằng cách tạo ra bản đồ chi tiết về cách các tế bào rễ này hình thành và trưởng thành, chúng ta có thể hiểu rõ hơn và có khả năng khuyến khích quá trình này để giúp thực vật giữ lại nhiều carbon hơn ở dạng có độ bền cao. Khi làm như vậy, chúng ta có thể tạo ra những loại cây có khả năng phục hồi tốt hơn với bộ rễ khỏe hơn, đồng thời giúp chúng ta chống lại biến đổi khí hậu”.

Khi cây mới ra rễ, nó dành riêng cho quá trình tăng trưởng chính, tập trung vào chiều dài của rễ mới. Khi cây trưởng thành, quá trình tăng trưởng thứ cấp diễn ra, chuyển trọng tâm sang làm dày rễ hiện có và tạo ra lớp vỏ ngoài. Lớp vỏ ngoài bảo vệ này chứa các tế bào phellem, phellogen và phelloderm, mỗi loại có trách nhiệm riêng biệt và cấu hình di truyền vẫn chưa được mô tả đầy đủ trong các nghiên cứu trước đây.

Trong số các tế bào periderm khác nhau này, nhóm nghiên cứu quan tâm nhất đến các tế bào phellem vì hàm lượng suberin cao của chúng. Suberin đóng vai trò trung tâm trong Sáng kiến khai thác thực vật của Salk, trong đó các nhà khoa học tối ưu hóa thực vật để phục vụ như một phương pháp cô lập carbon tự nhiên và bền vững. Thật không may, carbon được lưu trữ trong lá và thân cây có thể phân hủy nhanh chóng và dễ dàng được giải phóng trở lại khí quyển. Ngược lại, suberin trong rễ cây có thể giữ carbon sâu trong đất trong thời gian dài. Suberin cũng đã được chứng minh là giúp cây chống lại bệnh thối rễ tốt hơn, cho thấy rằng nó có mục đích bảo vệ ngoài mục đích lưu trữ carbon.

Phần rễ cây có lớp vỏ ngoài và các tế bào phellem hấp thụ carbon của nó. Nguồn: Viện nghiên cứu Salk.

Các nghiên cứu về periderm trước đây bao gồm các phân tích khối lượng, mặc dù cung cấp những hiểu biết có giá trị, nhưng không thể nắm bắt được đặc điểm của từng loại tế bào. Để khắc phục điều này, nhóm Salk đã áp dụng các kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn hiện đại có thể nắm bắt được các đặc điểm di truyền riêng biệt của từng loại tế bào periderm. Họ cũng theo dõi cách biểu hiện gen thay đổi khi từng loại tế bào phát triển trong rễ của Arabidopsis thaliana - một loài cỏ dại có hoa trong họ cải thường được sử dụng trong nghiên cứu thực vật.

"Việc thu thập mức độ chi tiết này ở những cây trưởng thành theo thời gian chưa từng đạt được trước đây", tác giả đầu tiên Charlotte Miller, một nhà khoa học nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Busch cho biết. "Các nghiên cứu khác nghiền nát toàn bộ rễ và nghiên cứu chúng theo khối lượng lớn, nhưng phân tích tế bào đơn cho phép chúng tôi hiểu được sự phát triển di truyền của từng loại tế bào riêng lẻ trong periderm. Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể chính xác và hiệu quả hơn nhiều trong việc thiết kế các loại cây khỏe mạnh, có khả năng phục hồi và chống biến đổi khí hậu".

Trình tự thời gian theo từng tế bào của các nhà nghiên cứu cho thấy sự phát triển của tế bào phellem có thể được chia thành nhiều giai đoạn riêng biệt về mặt di truyền nhưng có sự kết nối với nhau. Sự phát triển từng bước này được đánh dấu bằng các gen chính như MYB67, mà nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng đóng vai trò lớn trong việc điều chỉnh quá trình phát triển.

Bằng cách ghép lại các cấu hình di truyền của tế bào ở các giai đoạn phát triển khác nhau, nhóm nghiên cứu hy vọng cuối cùng sẽ xác định được một gen hoặc một nhóm gen có thể được sử dụng để khuyến khích thực vật tạo ra nhiều tế bào phellem hơn, chứa nhiều suberin hơn và thu được nhiều carbon bền hơn.

Bản đồ periderm cũng đưa ra những hiểu biết quan trọng về các tế bào không phải phellem khác. Dữ liệu này sẽ giúp làm rõ các giai đoạn chuyển tiếp trong quá trình phát triển periderm, chẳng hạn như cách các tế bào phellogen tạo ra các tế bào phellem. Miller đặc biệt hào hứng khi tiếp tục nghiên cứu các tế bào phellogen này, lưu ý rằng khả năng giống tế bào gốc của chúng để phân biệt thành các loại tế bào khác muộn như vậy trong quá trình phát triển của thực vật là điều đáng ngạc nhiên.

Busch mong muốn được chứng kiến cách các tế bào chứa suberin bịt kín các lỗ do rễ bên mới phát triển, một quá trình phá hủy khi rễ mới đâm xuyên qua lớp da của cây. Những tế bào giàu suberin, có khả năng phản ứng này có thể không phải là một phần của lớp vỏ ngoài, nhưng việc tìm hiểu thêm về các loại tế bào lớp vỏ ngoài và hàm lượng suberin có thể hỗ trợ cho việc hiểu biết trong tương lai về quá trình tạo rễ này, trong đó hệ thống rễ phân nhánh rộng rãi trong khi tránh nhiễm trùng.

Busch cho biết: "Công trình của chúng tôi không chỉ thúc đẩy khoa học thực vật mà còn mở ra cánh cửa để tạo ra các loại cây trồng khỏe mạnh hơn và tăng cường quá trình cô lập carbon thông qua rễ cây, cung cấp các giải pháp cho cả thách thức về nông nghiệp và khí hậu, đây là mục tiêu chính của Sáng kiến Khai thác Thực vật của Salk".

Lê Thị Kim Loan theo Viện Salk.