Cơ chế tạo hình tế bào cổ xưa để phòng vệ chống lại động vật ăn cỏ được phát hiện ở thực vật trên cạn thời kỳ đầu

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Development, các nhà khoa học cho thấy một quá trình được gọi là ức chế bên (lateral inhibition) chi phối cách các tế bào chuyên hóa được phân bố cách nhau trong cây rêu tản (liverwort), một trong những dòng tiến hóa cổ xưa nhất của thực vật trên cạn. Bằng cách kết hợp phân tích hóa thạch, sinh học so sánh và mô hình hóa toán học, nhóm nghiên cứu quốc tế do Josep Mercadal, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ trong nhóm của Pau Formosa-Jordan tại Viện Max Planck về Chọn tạo giống cây trồng ở Cologne, Đức, dẫn đầu, đã chứng minh rằng cơ chế này không chỉ tồn tại ở các loài hiện còn sống mà đã hoạt động từ hơn 400 triệu năm trước. Ức chế ngang là một chiến lược phát triển được sử dụng rộng rãi, trong đó các tế bào giao tiếp với các tế bào lân cận để ngăn chúng hình thành cùng một đặc điểm. Sự tương tác này thường dẫn đến các mô hình phân bố đều đặn của các loại tế bào khác nhau, một nguyên tắc được tìm thấy ở nhiều sinh vật.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được một cơ chế cổ xưa kiểm soát cách sắp xếp các tế bào thể dầu - cấu trúc chuyên biệt tham gia vào việc phòng vệ chống lại động vật ăn cỏ - ở rêu tản. Các tế bào này đã được phân tích ở cả các loài còn sống và trong các hóa thạch được bảo tồn đặc biệt tốt của một trong những loài rêu tản sớm nhất được biết đến, Metzgeriothallus sharonae, trong đó chúng được gọi là tế bào tối màu. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các tế bào tối màu này được sắp xếp theo các mô hình đều đặn, cách đều nhau, đặc trưng của sự ức chế bên, cho thấy rằng cơ chế sắp xếp này đã tồn tại ở một số loài thực vật trên cạn sớm nhất.

Sự sắp xếp không gian của các tế bào tối màu trong Metzgeriothallus sharonae, loài rêu tản hóa thạch cổ nhất từ ​​kỷ Devon giữa (khoảng 390 triệu năm trước). Hình ảnh cho thấy một phần giống lá với các tế bào tối màu phân tán tạo thành các hoa văn "muối tiêu" đặc trưng, ​​một dấu hiệu của sự ức chế bên. Nguồn: Susan Tremblay.

Hóa thạch hiếm khi bảo tồn thông tin di truyền hoặc phân tử, do đó nguồn gốc tiến hóa của các cơ chế kiểm soát cách tế bào thực vật hình thành bản sắc của chúng vẫn còn khó truy tìm.

Các tác giả giải quyết thách thức này bằng cách sử dụng các mô hình tính toán để tái tạo các mô hình không gian quan sát được trong các mô hóa thạch. Họ đã chỉ ra rằng các mô hình này có thể được giải thích bằng một cơ chế đơn giản kết hợp kích hoạt cục bộ với các tín hiệu ức chế giữa các tế bào lân cận - điều này có thể tạo ra sự sắp xếp đều đặn đặc trưng của các loại tế bào khác nhau.

Nguyên tắc tương tự cũng giải thích sự phân bố các tế bào thể dầu ở các loài rêu tản hiện đại như Marchantia polymorpha .

Nghiên cứu chỉ ra rằng các mô hình tế bào được bảo tồn trong hóa thạch có thể được sử dụng để suy luận về các cơ chế phát triển cổ xưa, cung cấp một phương pháp mới để nghiên cứu sự tiến hóa và bảo tồn đặc điểm tế bào trong hàng trăm triệu năm.

“Những phát hiện này cho thấy sự ức chế bên là một cơ chế được bảo tồn sâu sắc, đã định hướng sự biệt hóa tế bào ở thực vật kể từ những giai đoạn đầu tiên của quá trình tiến hóa thực vật trên cạn, làm nổi bật tầm quan trọng của nó đối với khả năng phòng vệ chống lại động vật ăn cỏ. Công trình này nhấn mạnh cách kết hợp bằng chứng hóa thạch với các kỹ thuật mô hình hóa hiện đại có thể hé lộ nguồn gốc của các quá trình phát triển cơ bản”, Josep Mercadal cho biết.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.