Cơ chế thực vật kiểm soát sự phát triển của mô mềm và mô gỗ

Các nhà khoa học đã xác định được một cơ chế quan trọng cho phép thực vật định hình hệ thống mạch dẫn của chúng, quyết định xem chúng phát triển các cơ quan dự trữ mềm, ăn được hay phát triển mô gỗ cứng đặc trưng của cây thân gỗ.

Nghiên cứu do Đại học Cambridge và Đại học Helsinki dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Science, đã cho biết động lực điều chỉnh hướng dẫn sự hình thành mạch gỗ, cung cấp những hiểu biết mới về cách thực vật xây dựng cả mô cấu trúc và mô dự trữ.

Hiểu được cách thức thực vật điều chỉnh sự phát triển mạch dẫn của chúng mở ra một hướng đi đầy hứa hẹn cho công việc trong tương lai nhằm tối ưu hóa các đặc điểm sinh trưởng quan trọng đối với nông nghiệp và lâm nghiệp, bao gồm sản xuất các vật liệu có giá trị thương mại như gỗ, giấy, bộ phận củ/rễ ăn được và các sản phẩm sinh học.

Thực vật đã tiến hóa nhiều phân tử tín hiệu hoạt động cùng nhau để xây dựng kiến ​​trúc hệ thống mạch dẫn trải khắp cơ thể.

Sự phát triển mạch dẫn này được điều chỉnh chi tiết bằng cách điều chỉnh các tín hiệu đầu vào ở các bước khác nhau, giúp xác định cách thức cây tạo ra nhiều tế bào dẫn nước hơn hay nhiều tế bào dự trữ hơn.

Thực vật có thể chuyển đổi giữa các ưu tiên tăng trưởng này vì mô mạch gỗ dẫn nước của chúng bao gồm hai loại tế bào khác nhau:

1. Tế bào mạch có thành tế bào thứ cấp dày, giàu lignin cho phép nước di chuyển nhanh, và

 2. Tế bào nhu mô có thành tế bào sơ cấp mỏng, có chức năng lưu trữ nước và chất dinh dưỡng như tinh bột.         

     Mặt cắt ngang của trụ mầm cây Arabidopsis thaliana cho thấy cấu trúc mô mạch gỗ được hình thành bởi hai loại tế bào khác nhau – mạch gỗ (màu đỏ) và tế bào nhu mô mạch gỗ. Nhuộm mạch gỗ bằng SR2200 và Fuchsin. Ảnh chụp bởi Donghwi Ko.

Các yếu tố phiên mã SAC51, từ đó ức chế sự hình thành mạch gỗ.

“Chúng tôi chưa rõ cơ chế điều hòa dịch mã này hoạt động như thế nào và được điều chỉnh ra sao”, tiến sĩ Donghwi Ko, đồng tác giả chính từ Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge, cho biết. “Chúng tôi cũng biết rằng polyamine tương tác với ribosome bằng cách liên kết với RNA ribosome (rRNA), vì vậy chúng tôi cũng muốn khám phá khía cạnh này.”     

Mặt cắt ngang của trụ mầm cây Arabidopsis thaliana 8 tuần tuổi. Đột biến ovac thể hiện sự biệt hóa mạch thứ cấp mạnh hơn (màu đỏ) đồng thời làm giảm số lượng tế bào nhu mô. Hình A2 và B2 chỉ hiển thị các tế bào mạch. Nhuộm SR2200 và Fuchsin. Ảnh chụp bởi Donghwi Ko.

Ribosome như cảm biến tín hiệu

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng thermospermine liên kết với ribosome đã được methyl hóa, cho phép ribosome hoạt động như một cảm biến tín hiệu thúc đẩy quá trình dịch mã SAC51.

Ribosome là nhà máy sản xuất protein và chúng thường tương tác và liên kết với các polyamine như thermospermine.

Tuy nhiên, chưa có chức năng tế bào cụ thể nào được gán cho các polyamine liên kết với ribosome mặc dù chúng đóng vai trò trong nhiều quá trình sinh học khác nhau, bao gồm điều hòa sự tăng sinh tế bào, biệt hóa, tự thực bào và lão hóa.

Các nhà nghiên cứu từ phòng thí nghiệm của Giáo sư Alan Warren tại Viện Nghiên cứu Y học Cambridge và phòng thí nghiệm của Phó Giáo sư Finn Kirpekar tại Đại học Nam Đan Mạch đã đi sâu vào phân tích các biến đổi hóa học và sinh học cấu trúc của ribosome Arabidopsis để hình dung những gì đang xảy ra. “Vị trí của quá trình methyl hóa nằm ở trung tâm peptidyl transferase của ribosome, nơi liên kết peptide có thể được xúc tác. Sự biến đổi này cho phép thermospermine liên kết tại cùng một vị trí, kết nối các thành phần quan trọng của quá trình điều hòa dịch mã,” Tiến sĩ Alexandre Faille, đồng tác giả chính đến từ Viện Nghiên cứu Y học Cambridge, cho biết.

Vị trí của quá trình methyl hóa nằm ở trung tâm chuyển peptidyl (PTC) của ribosome, nơi liên kết peptit có thể được xúc tác. Hình ảnh minh họa sự liên kết của thermospermine (tSpm) với ribosome Arabidopsis bằng cách sử dụng bản đồ cryo-EM của ribosome Arabidopsis WT 80S với tRNA liên kết tại vị trí P (màu lục lam). Sơ đồ PTC, với đầu CCA của tRNA tại vị trí P, tSpm và dư lượng m3U2952 được chỉ ra. Hình ảnh minh họa cấu trúc ribosome do Alexandre Faill thực hiện.

Kết quả của các cuộc điều tra sâu hơn cho thấy, sự liên kết của thermospermine với ribosome được methyl hóa ảnh hưởng đến một yếu tố phiên mã thứ hai điều chỉnh sự phát triển mạch gọi là LHW, làm tăng sự hình thành mạch. Thermospermine ức chế LHW.

“Khi quá trình dịch mã SAC51 và LHW được điều chỉnh bởi thermospermine ở cây kiểu hoang dã, sự cân bằng bình thường giữa tế bào mạch và tế bào nhu mô được thiết lập,” tiến sĩ Eva Hellmann, đồng tác giả chính từ Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge, cho biết. “Tuy nhiên, ở cây đột biến, thermospermine không thể liên kết ổn định với ribosome không được methyl hóa, ngăn chặn sự điều chỉnh này và cho phép dịch mã LHW ở mức cao, làm gián đoạn quá trình hình thành mạch bình thường.”

Nghiên cứu kết luận rằng thermospermine điều chỉnh cả hai yếu tố phiên mã theo những cách khác nhau. Nó là một chất điều hòa dịch mã lưỡng chức năng cho SAC51 và LHW, nhưng cần một quá trình methyl hóa cụ thể, m3U2952, để điều chỉnh lưỡng chức năng. Nó hoạt động bằng cách thúc đẩy quá trình dịch mã SAC51 trong khi ức chế quá trình dịch mã LHW.

Thermospermine cần sự biến đổi m3U2952 trên ribosome để điều hòa quá trình dịch mã hai chức năng. Ở cây kiểu hoang dại (WT), gen OVAC có thể methyl hóa ribosome (m3U2952). Với sự methyl hóa đặc hiệu này và sự hiện diện của themospermine, SACL có thể được dịch mã nhưng LHW thì không. Cơ chế này bị suy yếu ở đột biến ovac, nơi SACL không được dịch mã, nhưng LHW vẫn có thể được dịch mã. Đồ họa và hình ảnh bởi Donghwi Ko.

“Nghiên cứu này làm sáng tỏ cách thực vật điều chỉnh sự phát triển mạch dẫn để quyết định số phận của các tế bào mạch dẫn,” Tiến sĩ Raili Ruonala, đồng tác giả chính đến từ Đại học Helsinki, cho biết. “Những phát hiện này có tiềm năng ảnh hưởng đến các đặc điểm của thực vật, từ khả năng chống hạn đến sự phát triển rễ/củ ở cây lương thực, cũng như sự hình thành gỗ.”

Mặc dù nghiên cứu được thực hiện bằng cách sử dụng cây Arabidopsis làm mô hình, nhưng nó cho thấy tín hiệu tương tự có thể đang xảy ra ở các loại thực vật khác. Ví dụ, ở cây thân gỗ, những tín hiệu này có thể được điều chỉnh để tạo ra số lượng lớn mạch dẫn nước nhằm hỗ trợ sự phát triển chiều cao. Ở củ cải, các tín hiệu tương tự có thể được điều chỉnh để ưu tiên các tế bào dự trữ ở rễ, cho phép cây tích trữ nhiều năng lượng hơn.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Cambridge.

Tham khảo:

Donghwi Ko†, Raili Ruonala†, Alexandre Faille†, Eva Hellmann†, Hanna Help, Huili Liu, Ronni Nielsen, Anders Haakonsson, Nuria De Diego, Anja Paatero, Mariia V. Shcherbii, Karolina Stefanowicz, Sanja Ćavar Zeljković, Tine Drud Lundager Rasmussen, Ondrej Novak, Zsuzsanna Bodi, Gugan Eswaran, Brecht Wybouw, Matthieu Bourdon, Cristina Urbez, Xiaonan Liu, Kari Salokas, Tiina Öhman, Tanya Waldie, Petri Törönen, Sedeer el-Showk, Martin Balcerowicz, Fabrice Besnard, Xiaomin Liu, Patrick Perkins, Serina Mazzoni-Putman, Julia P. Vainonen, Maija Sierla, Mikko J. Frilander, Susanne Mandrup, Teva Vernoux, Karin Ljung, Alejandro Ferrando, Miguel A. Blazquez, Liisa Holm, Rupert Fray, Markku Varjosalo, Ottoline Leyser, Ville O. Paavilainen, Ari Pekka Mähönen, Anna Stepanova, Jose Alonso, Steffen Heber, Robert Malinowski, Finn Kirpekar*, Alan J. Warren*, Ykä Helariutta* (2026) Việc tuyển dụng chất điều hòa hai chức năng thermospermine vào các ribosome bị methyl hóa sẽ định hướng số phận xylem. Sciences.

†Tác giả đầu tiên ngang nhau

*Tác giả tương ứng