Hiệu ứng phân lớp: Bản đồ đơn bào của rễ ngô cho thấy cơ chế điều hòa đa dạng tế bào

Phần giữa của rễ ngô cho thấy sự xuất hiện bất thường của gen SHR ở lớp tế bào nội bì. Gen SHR tiếp xúc với các lớp bên ngoài để tạo ra lớp vỏ tế bào, có vai trò được biết đến trong cộng sinh và chống chịu điều kiện bất thuận do hạn hán và lũ lụt. Nguồn: Carlos Ortiz-Ramírez.

Một nghiên cứu mới sử dụng các kỹ thuật tạo cấu hình tế bào để phát hiện cách thực vật thêm các lớp tế bào mới giúp chúng chống lại các tác nhân gây ức chế do khí hậu như hạn hán hoặc lũ lụt. Nghiên cứu tập trung vào ngô - một loại cây trồng cực kỳ quan trọng trên khắp thế giới - trong nỗ lực tạo ra bản đồ từng tế bào về hệ thống rễ của cây trồng, giúp giảm tác động do hạn hán và hấp thụ chất dinh dưỡng và phân bón từ đất.

Kenneth Birnbaum, làm việc tại Khoa Sinh học và Trung tâm Hệ gen và Sinh học Hệ thống của Đại học New York (NYU) và là tác giả chính của bài báo đăng trên tạp chí Science, cho biết: "Chúng tôi đã khám phá ra cách bộ rễ ngô mở rộng mô vỏ của nó, vốn tạo nên phần lớn hệ thống rễ của cây trồng. Thêm các lớp vào mô vỏ là một đặc điểm tiến hóa quan trọng tạo ra các cách để thực vật có thể chịu được hạn hán và lũ lụt và cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng. Những đặc điểm này sẽ là mục tiêu quan trọng cho phép thực vật chống lại sự nóng lên toàn cầu và giảm lượng khí thải carbon”.

Để tạo bản đồ đơn bào  rễ ngô, trước tiên, các nhà nghiên cứu đã phá vỡ rễ ngô bằng cách sử dụng các enzym phân giải thành tế bào để tạo ra các tế bào đơn, trôi nổi tự do. Các phương pháp tiếp cận mới sau đó cho phép họ phân tích hàm lượng mRNA của các tế bào riêng lẻ - phân biệt các đặc điểm phân tử dẫn đến các loại tế bào chuyên biệt cụ thể - bằng cách sử dụng kỹ thuật giải trình tự tế bào đơn dựa trên giọt thu nhỏ.   

Tiếp theo, họ lập bản đồ các tế bào trở lại vị trí của chúng trong gốc ngô, giống như việc lắp ráp một trò chơi ghép hình 10.000 mảnh mà không có người hướng dẫn. Để giải quyết câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thuốc nhuộm huỳnh quang thâm nhập vào các mô rễ ở độ sâu thay đổi để đánh dấu và cô lập các lớp khác nhau, giống như tách các lớp vỏ của một củ hành, tạo cho chúng các mốc gen để lập bản đồ các đơn bào.

Carlos Ortiz Ramirez, làm việc tại Trung tâm gen NYU và Hệ thống Sinh học và UGA Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad ở Mexico, người là tác giả đầu tiên của nghiên cứu này, cho biết: “Lớp thông tin thứ hai này về cơ bản đã cung cấp cho chúng tôi lời giải cho phép chúng tôi lập bản đồ chính xác các tế bào đến vị trí thích hợp của chúng để tạo mô hình 3D về biểu hiện gen trên toàn bộ rễ ngô”.

Bản đồ mới của rễ ngô cho thấy sự chuyên hóa tế bào chưa được mô tả trước đây trong vỏ của rễ. Vỏ đặc biệt quan trọng vì nó bao gồm phần lớn của rễ ngô thời kỳ sớm và có hơn 10 lớp. Ngoài ra, các dạng phụ tế bào của vỏ có tầm quan trọng thiết yếu đối với các đặc điểm giúp cây trồng đối phó với các tác nhân gây bất thuận từ môi trường. Ví dụ, lớp vỏ bên trong là nơi nấm cộng sinh trao đổi chất dinh dưỡng với cây trồng và việc tăng cường hợp tác có thể giúp giảm lượng khí thải carbon trong nông nghiệp. Các lớp giữa của vỏ ngoài tạo ra các đường dẫn không khí cho phép trao đổi khí khi bị lũ lụt, trong khi việc mở rộng vỏ theo yêu cầu có thể làm giảm mất nước trong thời gian hạn hán.

Ortiz Ramirez nhận định: “Sử dụng mô hình 3D rễ ngô, chúng tôi đã chỉ ra 4 dấu hiệu riêng biệt của lớp vỏ có thể cung cấp các mục tiêu di truyền quan trọng để cải thiện hơn nữa sự cộng sinh, chống úng và hạn”.

Hơn nữa, nhóm đã tìm thấy manh mối trong bản đồ mới của rễ về cách ngô có thể tạo ra các lớp vỏ bổ sung. Đặc biệt, bộ điều hòa gen quan trọng được gọi là RỄ NGẮN (SHR), có chức năng giống nhau ở các loài thực vật khác nhau, nằm ở một vị trí hấp dẫn khác với các loài thực vật khác chỉ có một lớp vỏ. 

Ở Arabidopsis, một loài thực vật có hoa nhỏ thường được sử dụng làm cây mô hình trong sinh học thực vật, SHR là một trong những yếu tố phiên mã đầu tiên được chứng minh là di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác, cho phép các loại tế bào bên trong đưa ra chỉ thị cho các lớp giữa để tạo ra một mô mới. Điều đó làm cho SHR trở thành một loại tổ chức cục bộ, hướng các mô rễ tập hợp xung quanh mô hình lõi. Tuy nhiên, ở ngô, bản đồ đơn bào cho thấy SHR nằm ở vị trí mới ngay bên cạnh nhiều lớp vỏ, một điểm "nhảy cóc" thuận tiện để mở rộng nhiều lớp vỏ. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã theo dõi chuyển động của protein SHR và phát hiện ra rằng nó siêu di động, không chỉ di chuyển một lớp mà nhiều lớp qua vỏ ngoài.

Hơn nữa, các đột biến làm rối loạn chức năng SHR ở cả ngô và kê đuôi chồn (họ hàng với ngô) đã làm giảm số lượng lớp vỏ ngoài một cách nghiêm trọng. Điều này chứng tỏ SHR vẫn giữ vai trò chính của nó trong việc mở rộng các lớp mô và tạo ra nhận dạng tế bào mới nhưng đã chuyển đổi vị trí của nó để thêm các loại tế bào mới mà cuối cùng cho phép ngô đối phó với áp lực môi trường. 

Theo Birnbaum: “Việc xác định SHR có một cơ quan điều chỉnh chính của việc mở rộng vỏ ngoài là bước đầu tiên quan trọng. Trong tương lai, việc điều chỉnh các bộ điều chỉnh này có thể cung cấp các công cụ để thay đổi số lượng lớp vỏ hoặc loại phụ có thể nâng cao khả năng chống chọi với các tác nhân khí hậu như hạn hán hoặc cải thiện sự hấp thụ nitơ, cho phép cây trồng sử dụng ít phân bón hơn hoặc phát triển trên đất nghèo dinh dưỡng".    

Đinh Thị Hương theo Phys.org