Các nhà khoa học đã khám phá ra bản thiết kế sinh học 450 triệu năm tuổi của quá trình phát triển thực vật

Mô hình sơ đồ hệ thống kiểm soát chu kỳ tế bào đơn giản ở chi Rêu gan. Nguồn: Facundo Romani.

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Cambridge đã nhận diện một bộ công cụ nhỏ của gen kiểm soát phương thức phát triển của thực vật, hé lộ một hệ thống sinh học đã tồn tại hầu như không thay đổi hơn 450 triệu năm qua.

Với nghiên cứu trên cây rêu Marchantia polymorpha, nhóm nghiên cứu từ nhóm Haseoff thuộc Khoa Khoa học Thực vật đã cung cấp một khuôn mẫu mới để hiểu rõ hơn quá trình tiến hoá của thực vật trên cạn, có tiềm năng mở ra những hướng tiếp cận mới trong việc cải tiến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng.

Trong khi những loài cây trồng hiện đại đã tiến hoá với những hệ thống phức tạp liên quan tới hơn 30 loại protein cyclin khác nhau – những động cơ phân tử thúc đẩy qúa trình phân chia tế bào – nghiên cứu cho thấy rêu tản sử dụng một cơ chế đơn giản chỉ gồm ba cyclin để vận hành tế bào đi qua các giai đoạn của chu kỳ phân bào.

Nghiên cứu cho biết công cụ đơn giản tìm thấy ở chi Marchantina không phải là phiên bản bị rút gọn hay giản lược từ một hệ thống phức tạp hơn, mà nó phản ánh gần đúng với hệ thống mà các loài thực vật trên cạn đầu tiên đã sử dụng hơn 450 triệu năm qua. Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí The Plant Cell vào ngày 9/4/2026.

Cỗ máy tối giản của sự sống

Để hiểu cách vận hành trong thực tế của hệ thống tối giản này, nhóm nghiên cứu đã dùng các kỹ thuật giải trình tự đơn bào tiên tiến và chụp ảnh tế bào sống để theo dõi hoạt động của cyclin trong các tế bào đang phân chia.

Tất cả các tế bào đang phân chia, từ nấm men tới con người và thực vật, tiến triển thông qua một chuổi protein gọi là cyclins vận hành sự dịch chuyển giữa các giai đoạn: G1, S –  khi DNA được nhân bản; G2; và phân bào – khi tế bào phân chia.

Nhóm nghiên cứu đã tìm thấy ba protein đặc hiệu – MpCYCD;1, MpCYCA, and MpCYCB;1- hoạt động như là một đội tiếp sức, với mỗi protein chịu trách nhiệm cho một giai đoạn khác nhau trong quá trình phân chia tế bào.

Mô hình “mỗi giai đoạn 1 cyclin này” phù hợp với những dự đoán kinh điển trong sách giáo khoa về cách tế bào phân chia ở nhiều dạng sống khác nhau nhưng chưa từng được quan sát quá rõ ràng như vậy ở thực vật.

Tiến sỹ Facundo Romani, nghiên cứu viên tại Đại học Cambridge và là đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Mỗi lần một tế bào thực vật phân chia, nó đều dựa vào các protein gọi là cyclin để đi qua các giai đoạn khác nhau của quá trình phân chia. Từ nấm men đến động vật và tảo, hệ thống protein này được bảo tồn ở mức độ rất cao”.

Ở các loài cây trồng, có hơn 30 loại cylins, trong đó nhiều loại cyclins có vai trò trùng lặp khiến cho việc xác định vai trò thật sự của mỗi loại trở nên rất khó khăn.

Các loài thực vật không có hạt – rêu vòng gan, rêu, và rêu sừng – nhìn chung chỉ có một bản sao của các gen cốt lõi điều khiển chu kỳ tế bào. Câu hỏi đặt ra là hệ thống này có thể hoạt động như thế nào chỉ với những thành phần tối thiểu, bởi đó rất có thể là cấu hình cổ xưa của tổ tiên.

Những yếu tố thúc đẩy và kìm hãm

Để chứng minh những protein này thật sự giữ vai trò kiểm soát, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm chức năng nhằm điều khiển chu kỳ tế bào. Họ đã phát hiện rằng việc kích hoạt nhân tạo cyclin đầu vào, MpCYCD;1, là đủ để thúc đẩy các tế bào đang ở trạng thái ngũ yên vào trạng thái phân chia. Điều này khẳng định vai trò của protein này là máy gia tốc chính của hệ thống.

Nghiên cứu cũng đã nhấn mạnh tầm quan trọng của thời gian. Khi các nhà nghiên cứu ép buộc các cyclins hoạt động ở giai đoạn sau ((MpCYCA hoặc MpCYCB;1) để duy trì hoạt động quá khoảng thời gian hoạt động tự nhiên của chúng, các tế bào lập tức ngừng phân chia. Điều này cho thấy việc phân huỷ kịp thời các protein này cũng quan trọng như việc kích hoạt chúng để chu kỳ tế bào có thể hoàn toàn thành công.

Nhóm nghiên cứu cũng đã kiểm tra các yếu tố kìm hãm của hệ thống – các chất ức chế được biết như là yếu tố điều hoà KIP và WEE. Khi các yếu tố điều hoà này được tăng cường hoạt động, chúng kìm hãm hoàn toàn sự tăng trưởng của thực vật.

Tiến sỹ Romani cho biết: “Những kết quả này cho chúng ta biết rằng các yếu tố thúc đẩy và kìm hãm quá trình phân bào được bảo tồn sâu sắc qua quá trình tiến hoá. Những lập luận cơ bản về cách thực vật tăng tốc hoặc làm giảm sự tăng sinh của tế bào đã được hình thành và duy trì hơn 100 triệu năm”.

Tác động tương lai: từ tiến hoá đến kỹ thuật

Bằng việc thiết lập khuôn khổ này ở chi Marchantia, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể cung cấp một nền tảng không chỉ giúp hiểu rõ cách quá trình phân bào đã tiến hoá trong toàn bộ giới thực vật, mà còn phục vụ cho các hướng tiếp cận của sinh học tổng hợp nhằm thiết kế và điều khiển sự sinh trưởng của cây trồng.

Giáo sư Jim Haseloff, Trưởng Bộ môn Sinh học Tổng hợp Ứng dụng trong Kỹ thuật Điều khiển Sinh trưởng Thực vật thuộc Khoa Khoa học Thực vật, Đại học Cambridge cho biết: “Công trình này mở ra những khả năng mới trong việc điều khiển sự tăng sinh tế bào. Nghiên cứu kết hợp một hệ thống thí nghiệm đơn giản, đã được tinh gọn tối đa, cùng với bản đồ các thành phần tối thiểu cần thiết để điều hòa quá trình phân bào. Công trình này cung cấp một mô hình thử nghiệm thực tiễn cho việc tiếp cận tái lập trình từ nền tảng đối với quá trình hình thành cơ quan ở thực vật”.

Trương Thị Tú Anh theo Đại học Cambridge.