Các lực cơ học và hình dạng tế bào định hướng cách hình thành khí khổng ở thực vật

Biểu bì lá: Các tế bào thực vật có mép lượn sóng và một số lỗ khí hình bầu dục, mỗi lỗ khí có một lỗ khí trung tâm được tạo thành bởi các tế bào bảo vệ ghép đôi.

Nhóm nghiên cứu của Sarah Robinson đã khám phá ra cách tương tác giữa hình dạng tế bào và ứng suất cơ học ảnh hưởng đến hướng của khí khổng (các lỗ nhỏ li ti trên bề mặt lá) trong giai đoạn phát triển sớm của cây.

Khí khổng, theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là miệng, là những cửa ngõ thiết yếu điều chỉnh sự trao đổi carbon dioxide và oxy, cũng như sự mất nước.

Về lâu dài, việc hiểu rõ hơn về khí khổng có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các loại cây trồng có hiệu quả sử dụng nước tốt hơn và khả năng chống chịu hạn hán cao hơn.

Cấu trúc khí khổng: Khí khổng là những lỗ nhỏ li ti trên bề mặt lá và thân cây, điều chỉnh sự trao đổi khí và mất nước bằng cách đóng mở nhờ hoạt động của các tế bào bảo vệ chuyên biệt.

Sự phát triển của khí khổng

Mỗi lỗ chân lông được hình thành bởi một cặp tế bào bảo vệ chuyên biệt, chúng đóng mở để phản ứng với các tín hiệu từ môi trường, đóng vai trò trung tâm trong sự sống còn và năng suất của cây trồng.

Mặc dù các nhà nghiên cứu từ lâu đã biết về các yếu tố điều hòa gen quan trọng kiểm soát sự phát triển của khí khổng, bao gồm các yếu tố phiên mã SPEECHLESS và MUTE (hoạt động tuần tự để khởi đầu và kết thúc trạng thái tế bào khí khổng), nhưng vẫn chưa rõ điều gì quyết định hướng của khí khổng trên lá.

Sử dụng cây mẫu Arabidopsis thaliana, các nhà nghiên cứu từ nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Sarah Robinson tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU) đã kết hợp hình ảnh trực tiếp và mô hình hóa tính toán để nghiên cứu cách các khí khổng được định hướng trong giai đoạn phát triển lá sớm. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Cell Reports.

Nhóm nghiên cứu đã theo dõi hơn 10.000 lỗ khí trên 72 lá mầm trong năm ngày đầu tiên sau khi hạt nảy mầm.

“Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy sự phân chia khí khổng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hình dạng hình học của tế bào”, tiến sỹ Leo Serra, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Trong hầu hết các trường hợp, chúng thẳng hàng với trục dài của tế bào, điều này khá bất thường so với nhiều loại tế bào thực vật khác”.

Tuy nhiên, điều này đã không giải thích được sự sắp xếp theo tỷ lệ cơ quan của khí khổng mà họ quan sát được. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng hình dạng tế bào chỉ là một phần của câu chuyện.

Cơ chế hoạt động bắt đầu có hiệu lực

Bằng cách mô phỏng các mô hình tăng trưởng và thay đổi các lực cơ học trong cây non thông qua thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng khi lực căng được tạo ra trong quá trình lá phát triển, nó sẽ ảnh hưởng đến hướng phân chia của tế bào bảo vệ.

“Khi chúng tôi thay đổi các lực cơ học tác động lên lá, chúng tôi thấy những thay đổi rõ rệt trong hướng phân chia khí khổng”, tiến sỹ Euan Smithers, người thực hiện mô hình hóa, đã cho biết. “Điều này cho thấy rằng ứng suất cơ học có thể lấn át các tín hiệu hình học”.

Sự thay đổi trong mô hình ứng suất kéo làm thay đổi hướng phân chia khí khổng: Hình G–H: Mô hình tính toán về sự tăng trưởng khác biệt và hướng ứng suất dự đoán trong lá mầm. (G) Phân bố tốc độ tăng trưởng được áp dụng cho mô phỏng lá mầm, dựa trên lá mầm được hiển thị trong hình D và hai bản sao sinh học bổ sung. Tốc độ tăng trưởng mô phỏng khác nhau giữa bề mặt dưới và bề mặt trên, với tốc độ tăng trưởng cao hơn ở phía trên. Màu sắc biểu thị tốc độ tăng trưởng tương đối trên toàn bộ lưới tế bào. (H) Hướng dự đoán của ứng suất kéo do tăng trưởng khác biệt trên bề mặt dưới và trên của lá mầm. Đường liền nét biểu thị hướng chính của ứng suất kéo và đường nét đứt biểu thị hướng ứng suất kéo tối thiểu. Màu sắc biểu thị tính dị hướng của ứng suất, với tính dị hướng cao hơn được thể hiện bằng màu vàng và tính dị hướng thấp hơn bằng màu tím. Thanh tỷ lệ: 50 μm. Mô hình do Euan Smithers thực hiện.

“Chúng tôi nhận thấy rằng sự phân chia khí khổng có xu hướng thẳng hàng với trục dọc của tế bào nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi ứng suất cơ học”, tiến sỹ Robinson đã cho biết.

“Mặc dù sự phân chia khí khổng cho thấy sự phù hợp chặt chẽ với hình dạng hình học của tế bào, nhưng sự tác động cơ học đã xác nhận ảnh hưởng của ứng suất kéo lên hướng phân chia khí khổng”.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra những khác biệt đáng kể giữa mặt trên (mặt adaxial) và mặt dưới (mặt abaxial) của lá.

Hai mặt này phát triển với tốc độ khác nhau (mặt adaxial phát triển nhanh hơn mặt abaxial), tạo ra các mô hình và mức độ lực căng khác nhau trên bề mặt lá.

Kết quả là, hướng của khí khổng thay đổi theo thời gian và giữa các mặt.

Ở mặt abaxial (nơi có nhiều khí khổng hơn), các đường phân chia khí khổng thẳng hàng với trục lá, nhưng trở nên biến đổi hơn khi quá trình phát triển tiếp diễn.

Ngược lại, trên mặt hướng trục (adaxial) của lá, sự định hướng của các khí khổng trở nên kém đồng nhất ngay từ giai đoạn phát triển sớm.

Hướng phân bố khí khổng: Bản đồ nhiệt thể hiện hướng phân bố khí khổng so với trục gần xa của lá ở mặt dưới và mặt trên của lá mầm Arabidopsis thaliana ở các thời điểm 1, 2 và 5 ngày sau khi nảy mầm (DAG). Mỗi đường thẳng biểu thị một khí khổng. Ở mặt dưới giàu khí khổng, hướng phân bố ban đầu thẳng hàng với trục lá trước khi trở nên biến đổi hơn theo thời gian, trong khi hướng phân bố khí khổng ở mặt trên trở nên kém đồng nhất sớm hơn trong quá trình phát triển. Thanh tỷ lệ: 200μm. Hình ảnh bởi Leo Serra.

Yếu tố nào quyết định sự khác biệt về định hướng của các khí khổng giữa mặt hướng trục (adaxial) và mặt xa trục (abaxial) của lá?

Tiến sỹ Robinson cho rằng những khác biệt này rất có thể xuất phát từ sự phát triển khác nhau giữa hai mặt của lá.

“Sự phát triển nhanh hơn ở mặt trên của lá dẫn đến sự giảm ứng suất kéo lớn hơn, trong khi sự phát triển chậm hơn ở mặt dưới của lá duy trì các mô hình ứng suất kéo ổn định hơn, góp phần vào sự sắp xếp khí khổng phối hợp tốt hơn”, bà nói.

Hình dạng lá mầm: Hình ảnh chiếu sáng cho thấy sự mở ra của lá mầm và sự phát triển của các mô hình ứng suất cơ học khác biệt giữa mặt trên và mặt dưới. (A) Cây con được chụp ảnh ở 1 và 2 ngày sau khi nảy mầm (DAG). Các đường chấm chấm chỉ ra vị trí của các mặt cắt ngang quang học được hiển thị trong hình B và C. Thanh tỷ lệ: 200μm. (B) Mặt cắt ngang quang học của lá mầm ở 1DAG cho thấy mặt trên và mặt dưới. Thanh tỷ lệ: 100μm. (C) Mặt cắt ngang quang học của lá mầm ở 2DAG cho thấy độ cong tăng lên và sự phát triển khác biệt giữa hai mặt của lá mầm. Thanh tỷ lệ: 100μm. Hình ảnh bởi Leo Serra.

Sự tăng trưởng khác biệt giữa hai mặt của lá mầm: (D) Bản đồ nhiệt thể hiện sự phân bố tỷ lệ tăng trưởng giữa hai mặt của cùng một lá mầm theo thời gian, được chụp ảnh từ 1 đến 2 ngày sau khi nảy mầm (DAG) (thang đo: 100μm). (E) Sự phân bố tỷ lệ tăng trưởng cho cả hai mặt của lá mầm được hiển thị trong (D) (mẫu lặp lại 1), cùng với hai mẫu lặp lại sinh học bổ sung. (F) Bản đồ nhiệt về sự phân bố chiều dài tế bào theo hướng trục-mặt dưới trong mặt cắt ngang của lá mầm ở 1 DAG, được tái tạo từ phân đoạn 3D của toàn bộ lá mầm (thang đo: 50μm). Hình ảnh bởi Leo Serra.

Trực quan hóa các kiểu phân bố ứng suất bằng cách sử dụng các thể đột biến có sự kết dính giữa các tế bào bị suy giảm

Để phân tách các đóng góp tương đối của hình học, sự phát triển và ứng suất cơ học, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật chụp ảnh tua nhanh thời gian và phân tích hình ảnh tiên tiến để theo dõi dòng tế bào và định lượng hướng phân chia. Họ đã sử dụng các cây đột biến có độ bám dính tế bào suy yếu, cho phép các mô hình ứng suất trở nên rõ ràng dưới dạng các vết nứt trên bề mặt lá.

Xác định ứng suất kéo: Để kiểm chứng thực nghiệm dự đoán của mô hình, các nhà nghiên cứu đã chụp ảnh lá mầm của thể đột biến quasimodo2-2 bị khiếm khuyết về khả năng kết dính giữa các tế bào, dẫn đến sự hình thành các vết nứt giữa các tế bào biểu bì. Vị trí xuất hiện của các vết nứt này trước đây đã được sử dụng để suy luận hướng chính của ứng suất kéo trong lớp biểu bì của thực vật. Sự phân bố khác biệt của các khiếm khuyết về kết dính tế bào được quan sát giữa hai mặt của lá mầm vào 2 ngày sau khi hạt nảy mầm. Các đầu mũi tên chỉ các vết nứt nhỏ trên biểu bì mặt hướng trục (adaxial). Hình ảnh do Leo Serra thực hiện.

Tạo ứng suất cơ học bằng cách uốn cong lá

Việc tác động ứng suất cơ học lên các mô có kích thước rất nhỏ là một thách thức trong thực nghiệm.

"Chúng tôi đã phát triển một phương pháp uốn cong lá nhằm tạo ra sự thay đổi trong các kiểu phân bố ứng suất trên bề mặt lá. Kết quả cho thấy sự thay đổi này đủ để làm thay đổi định hướng của các khí khổng", tiến sỹ Serra đã cho biết.

Ảnh hưởng kép đến hướng của khí khổng

Phân tích của họ cho thấy rằng, mặc dù sự phân chia khí khổng thường thẳng hàng với trục dài của tế bào, chúng cũng có thể thẳng hàng với các mô hình dự đoán về ứng suất kéo ở quy mô cơ quan, đặc biệt là ở các tế bào có hình dạng đẳng hướng hơn.

Phát hiện này phù hợp với các quan sát trong các mô thực vật khác, nơi sự phân chia tế bào thường tuân theo hướng của ứng suất cơ học tối đa.

“Hình học tế bào dường như là yếu tố chi phối hướng dẫn sự định hướng của khí khổng, nhưng ứng suất cơ học có thể chiếm ưu thế trong một số bối cảnh nhất định”, tiến sỹ Robinson cho biết. “Sự kiểm soát kép này có thể giúp phối hợp hành vi của tế bào trên toàn bộ mô”.

Mặc dù nghiên cứu không trực tiếp kiểm tra cách định hướng khí khổng ảnh hưởng đến chức năng, các nhà nghiên cứu cho rằng việc căn chỉnh khí khổng với các mô hình ứng suất cơ học có thể tối ưu hóa hiệu quả đóng mở của lỗ khí.

“Vì bản thân khí khổng tạo ra lực cơ học tác động lên các tế bào lân cận, nên độ nhạy cảm với ứng suất cũng có thể giúp định vị khí khổng mới theo cách cải thiện hiệu suất tổng thể”, tiến sỹ Robinson nói.

“Công trình của chúng tôi nhấn mạnh cách bối cảnh cơ học định hình kết quả sinh học. Vẫn còn rất nhiều điều cần tìm hiểu về cách thực vật tạo ra các mô hình có thể trải rộng khắp toàn bộ cơ quan”.

Đỗ Thị Nhạn theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.