Cây con đón nhận mặt trời bằng cách phối hợp nhiều tiến trình hóa học và cơ học

Những phát hiện mới giải thích cách thức mở móc đỉnh sinh trưởng ở cây con Arabidopsis thaliana được chiếu sáng dựa trên sự đồng bộ hóa các động lực của hormone, bộ khung tế bào và thành tế bào để thúc đẩy quá trình tăng trưởng này.

Sử dụng móc đỉnh của cây con làm mô hình cho quá trình thay đổi hình dạng cơ quan, nghiên cứu được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge, cho thấy cách thực vật tạo ra sự cân bằng giữa tốc độ mở và tính toàn vẹn về mặt cơ học để thân cây con chuyển từ dạng cong sang dạng thẳng. 

Mở móc (từ phôi) do ánh sáng gây ra ở hypocotyl, biểu hiện một dấu hiệu màng plasma (LTI6b-YFP), sử dụng kính hiển vi quét laser confocal, với ánh sáng chiếu vào cây con giữa các lần chụp ảnh kích thích mở móc đỉnh. Hình ảnh được chụp ở khoảng thời gian 30 phút trong khoảng thời gian 8 giờ. Nguồn: Ankit Walia.

Khi cây nảy mầm từ hạt và bắt đầu phát triển chui qua đất trong bóng tối, phần trên của thân cây có hình dạng cong rõ rệt, được gọi là móc đỉnh (mầm sinh trưởng từ phôi). Móc này giúp bảo vệ các lá mầm mỏng manh (lá non) và mô phân sinh đỉnh (chùm tế bào gốc ở đầu chồi cây) chịu trách nhiệm cho sự phát triển trong tương lai. Khi cây con xuyên qua bề mặt đất và tiếp xúc với ánh sáng, móc sẽ thẳng ra.

Để chuyển đổi thích hợp từ hạn chế tăng trưởng sang kéo dài tế bào ở mặt lõm của thân, cây tích hợp hormone auxin, độ pH, tổ chức vi ống và các đặc tính cơ học của thành tế bào. Những phát hiện này cung cấp một mô hình giúp chúng ta hiểu cách cây con có thể chủ động di chuyển qua đất và mở lá ra đón ánh sáng vào đúng thời điểm. Điều này đặc biệt quan trọng vì sự hình thành cây con là khi cây yếu nhất và có thể là sự khác biệt giữa thành công hay thất bại của vụ mùa.

Mọi sinh vật đều phải thích nghi với hình dạng phù hợp với môi trường của chúng, và thực vật còn phức tạp hơn nữa khi tính linh hoạt và chuyển động của chúng bị hạn chế bởi thành tế bào cứng bao quanh từng tế bào. Điều này có nghĩa là tế bào thực vật không thể di chuyển và cần tích hợp các tín hiệu di truyền và phân tử với ứng suất cơ học từ thành tế bào để có hình dạng phù hợp phục vụ cho việc hình thành hình dạng cơ quan phù hợp.

Được công bố trực tuyến trên tạp chí Developmental Cell, nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Alexander Jones, hợp tác đa ngành với giáo sư Elliot Meyerowitz và các nhà khoa học tính toán trong nhóm của giáo sư Henrik Jönsson, đã kết hợp hình ảnh định lượng, di truyền học và mô hình hóa để khám phá sự tương tác giữa nồng độ hormone, cơ chế mô và tái tạo thành tế bào cần thiết để mở móc đỉnh.

Tiến sỹ Ankit Walia* và tiến sỹ Ross Carter* đã định lượng sự phát triển của tế bào trong quá trình chuyển đổi này và phát hiện ra rằng các tế bào bên trong móc đỉnh (phôi) mở rộng gấp bốn lần chiều dài ban đầu của chúng. Biến dạng tế bào do xử lý thẩm thấu cho thấy có lực căng dọc do áp suất tương tự ở mặt trong và mặt ngoài của móc và việc mở ra là kết quả của khả năng khác biệt để kéo dài không thể đảo ngược.

Người ta đã biết rằng hormone thực vật auxin, một chất điều hòa sinh trưởng chính, tích tụ ở mặt trong của móc đỉnh trong bóng tối và tín hiệu auxin giảm đi khi tiếp xúc với ánh sáng khi móc mở ra (phôi, thân mầm). Thuyết tăng trưởng axit là một giả thuyết lâu đời giải thích cách auxin thúc đẩy sự kéo dài tế bào bằng cách axit hóa và nới lỏng thành tế bào thực vật. Nhưng ở móc đỉnh, auxin cao hoạt động theo cách khác - bằng cách thúc đẩy độ pH cao hơn và ngăn chặn sự tăng trưởng. Đối với việc mở móc, người ta không rõ cách các hiệu ứng auxin được tích hợp với độ pH apoplastic để kiểm soát sự kéo dài tế bào.

Tiến sỹ Walia cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy mối tương quan giữa phản ứng auxin và độ pH cao hơn ở mặt trong của móc (phôi, mầm) trong bóng tối. Khi tiếp xúc với ánh sáng, chúng tôi thấy phản ứng auxin giảm ở mặt trong, tương quan với độ pH giảm. Tuy nhiên, vì độ pH giảm mạnh nên có thể có tác dụng axit hóa sau khi chiếu sáng không phụ thuộc vào auxin”.

Ngoài ra, phép đo pH và xử lý thẩm thấu trên cây có nồng độ auxin cao cho thấy auxin có thể đối kháng với sự mở rộng tế bào không thể đảo ngược trong tất cả các tế bào móc. Những kết quả này chỉ ra rằng auxin và sự phát triển cổng pH cao, nhưng không giải thích được sự mở rộng khác biệt cần thiết để tháo móc.

Những thay đổi về độ pH apoplastic khi phát triển và mở móc (phôi mầm). Nguồn: Ankit Walia.

Nhưng đây chỉ là một phần của câu chuyện. Để các tế bào mở rộng theo đúng hướng để móc đỉnh mở ra, chúng cần thêm thông tin.

Vi ống vỏ (CMT) là một phần của bộ khung tế bào và hoạt động như một khung bên trong tế bào, kiểm soát hướng của các vi sợi xenlulo trong thành tế bào. Do đó, chúng xác định những thay đổi về tính dị hướng của thành tế bào dựa trên xenlulo và hướng tạo thành tế bào dưới áp suất trương nước bên trong.

Định hướng MT vỏ não (CMT) trong quá trình mở móc đỉnh (thân mầm). Nguồn: Ankit Walia.

Để hiểu rõ hơn về những gì các CMT đang làm trong quá trình mở móc đỉnh, tiến sỹ Walia đã theo dõi hướng của chúng và tìm thấy các mô hình tương quan với sự phát triển tế bào khác biệt diễn ra ở móc đỉnh (thân mầm). Tiến sỹ Walia giải thích: “Hướng của CMT theo chu vi trong bóng tối phù hợp với các hướng ứng suất chính theo chu vi được suy ra từ hình học và sự định hướng lại của chúng từ chu vi sang dọc sau khi chiếu sáng cho thấy sự gia tăng ứng suất theo chiều dọc mà các CMT phản ứng với ứng suất có thể đang sắp xếp lại trên mặt ngoài của các tế bào biểu bì”.

Cơ chế của thành tế bào phản hồi lại quá trình kiểm soát cân bằng auxin của tế bào. Nguồn: Ankit Walia.

Để hiểu rõ hơn về ứng suất và biến dạng cơ học tác động lên móc đỉnh, tiến sỹ Ross Carter* đã sử dụng dữ liệu thực nghiệm này để phát triển một mô hình cơ học nhằm tái tạo móc đỉnh trong quá trình mở. Một phần quan trọng trong việc tái tạo các điều kiện hạ bì là tích hợp các công trình thực nghiệm trước đó cho thấy lớp biểu bì của hạ bì chịu lực căng trong khi các mô dưới biểu bì chịu lực nén. Tiến sỹ Carter giải thích: “Khi bạn uốn cong một ống có nước chảy qua, hai lực đối nghịch tác động lên bề mặt của nó - bề mặt bên trong bị nén trong khi bề mặt bên ngoài bị kéo căng. Sử dụng giả thuyết rằng mô bên dưới đang tác dụng một lực dọc lên lớp biểu bì sau khi chiếu sáng, chúng tôi đã thêm một ứng suất dọc tăng dần vào mô hình. Lực này không chỉ khiến mảng vi ống chuyển hướng như chúng tôi đã quan sát thấy trong thực nghiệm mà còn tăng tốc quá trình mở. Kết hợp với bản chất dị hướng của thành tế bào, chúng tôi đưa ra giả thuyết rằng hành vi này đã được sử dụng để phối hợp sự phát triển giữa các lớp mô và tạo sự cân bằng giữa tốc độ mở nhanh và tính toàn vẹn về mặt cơ học”. 

Mô hình bình chịu áp suất hình xuyến và ứng suất theo chu vi và theo chiều dọc trong móc. Nguồn: Ross Carter.

Tiến sỹ Jones cho biết kết quả cung cấp một góc nhìn mới về môi trường cơ học hóa học trong quá trình tăng trưởng khác biệt ở hạ tử mầm: “Chúng tôi đang sử dụng lỗ mở móc đỉnh như một hệ thống mô hình để nghiên cứu sự điều hòa cơ hóa học của sự tăng trưởng khác biệt ở thực vật. Những phát hiện này cho thấy cách các tế bào thực vật phối hợp tăng trưởng không tự chủ giữa các lớp mô bằng cách liên kết cơ học, gradient hormone và tái tạo thành tế bào cần thiết cho sự tăng trưởng. Một số đặc tính trong mô hình của chúng tôi không dễ giải thích bằng các yếu tố sinh học đã biết, vì vậy có những bí ẩn mới để theo đuổi”.

Công trình này còn xác định phản hồi cơ học hóa học từ cơ học thành tế bào đến sự suy giảm auxin do ánh sáng kích thích, có thể có tác dụng ngăn chặn việc mở móc dưới sự hạn chế về mặt cơ học. Điều này cho thấy những thay đổi về tính chất thành tế bào và cơ học thành tế bào được tích hợp với sự suy giảm auxin tế bào do ánh sáng gây ra, cho phép thực vật lựa chọn hình dạng phù hợp nhất cho cả môi trường vật lý và ánh sáng. 

Giáo sư Jönsson đã tóm tắt ý nghĩa của những phát hiện này: “Vòng phản hồi cơ học hóa học này có thể có liên quan đến sinh học. Việc giữ cho móc đỉnh (thân mầm) của cây cong để bảo vệ mô phân sinh và lá mầm khi cây con nhô lên qua các lớp đất trên cùng trong bóng tối là một lợi thế cho cây. Khi cây tiếp xúc với ánh sáng, nó kích hoạt quá trình axit hóa thành tế bào và làm cạn kiệt auxin ở mặt trong kết hợp với sự gia tăng lực dọc trong các mô dưới biểu bì thúc đẩy sự tăng trưởng khác biệt. Điều này cho phép điều phối tăng trưởng trên toàn bộ lớp mô cần thiết cho sự tăng trưởng khác biệt trong một cơ quan cong”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.