Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra bí mật bên trong quá trình phát triển của các cơ quan thực vật

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một phiên bản được đánh dấu của một loại protein điều chỉnh độ dày thân cây. Điều này giúp họ hiểu được vai trò của protein này trong việc xác định hướng phân chia tế bào. Nguồn: Bryony Yates.

Nghiên cứu đã hé lộ những thông tin mới thú vị về di truyền học chi phối sự đa dạng hình dạng các bộ phận thực vật mà chúng ta thấy trong nông nghiệp và tự nhiên.

Mặc dù đã có hơn một thế kỷ nghiên cứu khoa học về vai trò của các mô bên trong và bên ngoài, vẫn còn rất nhiều điều cần tìm hiểu về cách lá, thân cây, quả và hạt có được hình dạng được xác định bởi gen. 

Một giả định phổ biến là các lớp bên ngoài của cơ quan thực vật như lớp vỏ và các mô bên dưới đóng vai trò chủ yếu trong việc định hình cây bằng cách chống lại hoặc nhường chỗ cho áp lực từ các mô bên trong.

Tuy nhiên, một nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Trung tâm John Innes cho thấy rằng các tác động di truyền và tế bào dẫn đến hình dạng mà chúng ta thấy nằm sâu hơn bên trong thực vật.  Họ cho rằng các mô bên trong đóng vai trò quan trọng hơn trong việc định hình các cơ quan thực vật so với suy nghĩ trước đây, kiến ​​thức này có thể được áp dụng cho các loại cây trồng như lúa, cà chua và các loại cây họ bầu bí, bao gồm dưa, bí và bí ngô.

Để đưa ra những phát hiện này, họ tập trung vào một nhóm gen ảnh hưởng đến độ dày thân cây ở loài thực vật mô hình Arabidopsis.

Họ đã sử dụng các kỹ thuật chỉnh sửa gen để làm gián đoạn các gen quyết định cách thức phân chia tế bào. Họ cũng sử dụng một kỹ thuật di truyền để đánh dấu từng tế bào và các tế bào con cháu của chúng (gọi chung là bản sao) trong mô.

Bằng cách quan sát kích thước và hình dạng của các tế bào nhân bản này trong mô gốc, họ có thể theo dõi hướng phân chia và tăng trưởng của tế bào theo thời gian.

Thân cây bắt đầu hình thành ở vùng đầu ngọn cây gọi là mô phân sinh gân. Tại đây, các tế bào phân chia theo một hướng nhất định, chủ yếu vuông góc với hướng phát triển của thân cây.

Do đó, trong điều kiện bình thường, vùng bên trong của thân cây trông giống như một bó dây, mỗi dây được tạo thành từ một hàng tế bào duy nhất. 

Trong các đột biến chỉnh sửa gen mà một số phân chia này bị sai lệch hướng, nhóm nghiên cứu quan sát thấy thân cây phát triển dày hơn, trong khi chiều dài không bị ảnh hưởng. Những phân chia sai lệch hướng này đã thêm nhiều "sợi vào bó", khiến thân cây rộng ra.

Kết quả nghiên cứu gây bất ngờ ở hai khía cạnh: Các gen mà nhóm nghiên cứu khảo sát hoạt động ở các lớp sâu hơn của thân cây, trái ngược với dự đoán rằng các lớp ngoài kiểm soát sự tăng trưởng; ngoài ra, hướng phân chia tế bào thường được coi là hệ quả, chứ không phải nguyên nhân, của những thay đổi trong hướng tăng trưởng tế bào. 

Giáo sư Robert Sablowski, tác giả chính của nghiên cứu và là trưởng nhóm nghiên cứu tại Trung tâm John Innes, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi hé lộ cách một nhóm gen cụ thể kiểm soát hình dạng của các cơ quan thực vật bằng cách thay đổi hướng phân chia tế bào. Cách thức hoạt động của các gen này thách thức giả định phổ biến rằng sự phát triển của các cơ quan thực vật được kiểm soát bởi các mô bên ngoài như biểu bì thực vật”.

Những ứng dụng tiềm năng của nghiên cứu này đối với thực phẩm của chúng ta rất thú vị: các gen được nghiên cứu ở đây có liên quan đến việc hình thành trái cây và hạt, ví dụ như tạo ra sự khác biệt giữa dưa tròn hay dưa dài, hoặc giữa hạt gạo to hay hạt gạo mỏng.

Giáo sư Sablowski cho biết: “Bằng cách hiểu cách các gen này hoạt động để thay đổi hình dạng của thân cây, chúng ta có thể làm sáng tỏ hình dạng của quả và hạt đã được con người chỉnh sửa trong quá trình thuần hóa và lai tạo cây trồng”.

Câu hỏi quan trọng tiếp theo là giải thích chính xác sự thay đổi hướng phân chia tế bào dẫn đến những thay đổi cơ học trong mô như thế nào, từ đó dẫn đến sự thay đổi hướng tăng trưởng.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Trung tâm John Innes.