Những bông hoa như hoa dâm bụt sử dụng một bản thiết kế vô hình được thiết lập rất sớm trong quá trình hình thành cánh hoa, quyết định kích thước của tâm hoa – một bản thiết kế trước quan trọng có thể ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thu hút ong thụ phấn của chúng.  

Nghiên cứu do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge thực hiện cũng phát hiện ra rằng ong thích những đốm tròn lớn hơn những đốm tròn nhỏ và bay nhanh hơn 25% giữa các đĩa hoa nhân tạo có đốm tròn lớn hơn, điều này có khả năng tăng hiệu quả cho cả ong và hoa. 

Các hoa văn trên hoa của cây dẫn đường cho côn trùng, như ong, đến trung tâm của bông hoa, nơi mật hoa và phấn hoa đang chờ đợi, tăng cơ hội thụ phấn thành công cho cây. Mặc dù có tầm quan trọng, nhưng đáng ngạc nhiên là chúng ta biết rất ít về cách các hoa văn cánh hoa này hình thành và cách chúng tiến hóa thành sự đa dạng to lớn mà chúng ta thấy ngày nay, bao gồm các đốm, sọc, gân và đốm đen.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học Cambridge đã kết hợp sinh học phát triển, sinh học tiến hóa và mô hình tính toán để làm sáng tỏ bí ẩn này. 

Sử dụng một cây dâm bụt nhỏ làm mô hình, các nhà nghiên cứu đã so sánh những cây có họ hàng gần với nhau có cùng kích thước hoa nhưng có ba kiểu hoa hình bia mắt bò có kích thước khác nhau với tâm màu tím sẫm được bao quanh bởi màu trắng – H. richardsonii (hoa hình bia mắt bò nhỏ bao phủ 4% đĩa hoa), H. trionum (hoa hình bia mắt bò trung bình bao phủ 16%) và một dòng chuyển gen (đột biến) của H. trionum (hoa hình bia mắt bò lớn bao phủ 36%). 

Họ phát hiện ra rằng một mẫu trước được thiết lập trên bề mặt cánh hoa rất sớm trong quá trình hình thành hoa, rất lâu trước khi cánh hoa cho thấy bất kỳ màu sắc nào có thể nhìn thấy được. Cánh hoa hoạt động giống như một tấm vải 'tô điểm theo số', trong đó các vùng khác nhau được xác định trước để phát triển các màu sắc và kết cấu cụ thể từ rất lâu trước khi chúng bắt đầu trông khác nhau. 

Nghiên cứu cũng cho thấy thực vật có thể kiểm soát và thay đổi chính xác hình dạng và kích thước của các mẫu này bằng nhiều cơ chế, có thể có ý nghĩa đối với quá trình tiến hóa của thực vật. Bằng cách tinh chỉnh các thiết kế này, thực vật có thể giành được lợi thế cạnh tranh trong cuộc thi thu hút các loài thụ phấn hoặc có thể bắt đầu thu hút các loài côn trùng khác nhau. 

Tiến sỹ Edwige Moyroud, tác giả chính trong nhóm nghiên cứu về cơ chế hình thành hoa văn cơ bản trong cánh hoa, giải thích: “Nếu một đặc điểm có thể được tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau, thì quá trình tiến hóa có nhiều lựa chọn hơn để sửa đổi đặc điểm đó và tạo ra sự đa dạng, tương tự như một nghệ sĩ có bảng màu lớn hoặc một người thợ xây có bộ công cụ mở rộng. Bằng cách nghiên cứu cách các hoa văn bia thay đổi, điều chúng ta thực sự muốn hiểu là cách thiên nhiên tạo ra sự đa dạng sinh học”. 

Một mẫu cánh hoa hình lưỡi liềm được quan sát thấy rất sớm trong quá trình phát triển cánh hoa trước khi có bất kỳ sắc tố nào có thể nhìn thấy.  Bản đồ màu của khu vực tế bào trên lớp biểu bì hướng trục của cánh hoa HtTCP4.1 OE trong giai đoạn phát triển sớm (từ S0a đến S2E). Thanh tỷ lệ, 100 μm. Đã được đăng trong Science Advances.

Venice Mallow, còn được gọi là Flower-of-an-hour (Hibiscus trionum) được Edwige Moyroud chọn làm cây mẫu mới để nghiên cứu quá trình phát triển hoa văn cánh hoa. Có nguồn gốc từ Úc, H.Trionum hiện cũng xuất hiện trong các khu vườn và đã trở nên tự nhiên ở một số nơi trên Thế giới. Nguồn: Lucie Riglet và Edwige Moyroud.

Mẫu Bullseye cung cấp mục tiêu cho ong 

Chức năng chính của cánh hoa là thu hút các loài thụ phấn. Mặc dù vẻ đẹp của chúng có thể quyến rũ chúng ta, hoa chủ yếu là cấu trúc sinh sản đã phát triển đủ mọi thủ thuật để tối đa hóa cơ hội tạo ra hạt.  

Nhiều loài hoa sử dụng họa tiết đầy màu sắc trên cánh hoa để thu hút sự chú ý của các loài thụ phấn và tăng cường khả năng vận chuyển phấn hoa và thụ tinh.  

Bullseye là họa tiết giống như mục tiêu thường thấy ở hoa. Họa tiết này thường bao gồm các màu tương phản, với một điểm trung tâm được bao quanh bởi một hoặc nhiều vòng có sắc thái khác nhau. 

Người ta cho rằng hoa văn bullseye hướng dẫn các loài thụ phấn, chẳng hạn như ong, đến trung tâm của hoa nơi có mật hoa và phấn hoa, tăng khả năng thụ phấn thành công của cây. Một số hoa văn bullseye chỉ có thể nhìn thấy dưới ánh sáng UV, mà nhiều loài thụ phấn có thể nhìn thấy, khiến chúng vô hình với chúng ta nhưng rất hiệu quả trong việc thu hút côn trùng. 

Ở cây dâm bụt nhỏ Venice Mallow (Hibiscus trionum), một họa tiết hình bia bắn nổi bật được hình thành trên bề mặt trên (mặt đối trục) của cánh hoa, tạo nên một vòng tròn bên trong màu tím sẫm và vòng tròn bên ngoài màu trắng trên mỗi bông hoa.

Kết cấu bề mặt của cánh hoa cũng khác nhau giữa các phần có màu khác nhau của cánh hoa. Các tế bào trên phần có sắc tố màu tím có các họa tiết sọc biểu bì phản chiếu tia UV, trong khi phần màu trắng bao quanh cánh hoa có các tế bào hình nón, tạo ra bề mặt có kết cấu và giúp ong bám tốt hơn vào cánh hoa. 

Thực vật tạo ra những kiểu cánh hoa chính xác như thế nào để thu hút loài thụ phấn? 

Nhưng làm thế nào cây kiểm soát sự phát triển của kiểu cánh hoa bullseye đặc biệt và nhất quán này? Làm thế nào các tế bào biểu bì riêng lẻ và các tế bào lân cận của chúng biết được sắc tố và kết cấu nào cần tạo ra? 

Các nghiên cứu trước đây đã xác định các yếu tố phiên mã và enzyme cụ thể chịu trách nhiệm sản xuất sắc tố cánh hoa và kết cấu bề mặt, nhưng các quá trình thượng nguồn phân chia lớp biểu bì cánh hoa thành hai vùng riêng biệt vẫn còn là một bí ẩn. 

Tác giả chính, tiến sỹ Lucie Riglet, đã nghiên cứu cơ chế đằng sau kiểu hoa văn cánh hoa dâm bụt bằng cách phân tích sự phát triển cánh hoa ở ba bông hoa dâm bụt có kích thước hình bia khác nhau. 

Việc nghiên cứu cánh hoa rất khó khăn vì các hoa văn của chúng thường hình thành ở bề mặt trên cùng, rất khó quan sát trong giai đoạn đầu phát triển khi cánh hoa vẫn còn nằm bên trong nụ hoa. 

Để giải quyết thách thức này, tiến sỹ Riglet đã tạo ra một quy trình để cẩn thận mổ xẻ, chuẩn bị và chụp ảnh những cánh hoa dâm bụt nhỏ dưới kính hiển vi. 

Tiến sỹ Riglet cho biết: “Chúng tôi muốn biết liệu có bất kỳ sự khác biệt nào có thể nhìn thấy giữa các tế bào trong giai đoạn đầu phát triển của cánh hoa có thể chỉ ra nơi hình thành hoa văn cánh hoa hay không. Ở giai đoạn sớm nhất mà chúng tôi có thể mổ xẻ, các cánh hoa có khoảng 700 tế bào và vẫn có màu xanh lục, không có sắc tố tím nào có thể nhìn thấy và không có sự khác biệt về hình dạng hoặc kích thước tế bào. Khi cánh hoa phát triển thêm đến 4000 tế bào, nó vẫn không có bất kỳ sắc tố nào có thể nhìn thấy, nhưng chúng tôi đã xác định được một vùng cụ thể mà các tế bào lớn hơn các tế bào lân cận xung quanh. Đây chính là tiền hoa văn”. 

Bà phát hiện ra rằng tiền hoa văn bắt đầu như một vùng nhỏ hình lưỡi liềm từ rất lâu trước khi hình bia xuất hiện trên những cánh hoa nhỏ có kích thước dưới 0,2mm. 

Hình dạng của hoa văn hình thành trên các cánh hoa giai đoạn đầu không phải là những gì các nhà nghiên cứu mong đợi được thấy. Tiến sỹ Riglet giải thích: “Vì cánh hoa trưởng thành có các tế bào dài ở gốc và các tế bào hình nón ở đỉnh, nên lúc đầu, chúng tôi mong đợi được thấy một hoa văn gradient tuyến tính của sự phân hóa tế bào lan rộng từ gốc đến ngọn cánh hoa, nhưng thay vào đó, chúng tôi quan sát thấy một hình lưỡi liềm phát triển từ một bên cánh hoa, sau đó mở rộng và lan rộng từ trái sang phải khi cánh hoa trưởng thành”. 

Bắt đầu bằng một chiếc bánh sừng bò không cân xứng, họa tiết bất đối xứng này sau đó mở rộng thành một ranh giới hình lưỡi liềm ngăn cách hai vùng của cánh hoa rất lâu trước khi bất kỳ họa tiết hình bia nào xuất hiện. 

Bản đồ màu của vùng tế bào trên lớp biểu bì hướng trục (bề mặt trên cùng) của cánh hoa Hibiscus trionum trong giai đoạn phát triển ban đầu. Mẫu cánh hoa ban đầu xuất hiện sớm trong quá trình phát triển trước khi có bất kỳ dấu hiệu màu nào khi cánh hoa rộng nửa milimét với ~4000 tế bào. Nguồn: Lucie Riglet. Đăng trên Science Advances.

Tiến sỹ Moyroud nói thêm: “Phát hiện của Lucie rất quan trọng vì nó cho chúng ta biết rằng hoa là loài lập kế hoạch sớm và nếu chúng ta muốn hiểu cách chúng tạo ra các hoa văn, chúng ta cần nghiên cứu các giai đoạn rất sớm của quá trình phát triển hoa, khi mà dường như không có gì rõ ràng xảy ra, thay vì các giai đoạn sau khi mà điểm chính trở nên rõ ràng bằng mắt thường”. 

Những thách thức trong quá trình lập kế hoạch ban đầu 

Mặc dù việc lập kế hoạch sớm có vẻ là một ý tưởng hay, nhưng nó cũng tạo ra một thách thức. Làm thế nào để cây duy trì tỷ lệ hoa văn khi kích thước cánh hoa vẫn còn phải phát triển nhiều hơn nữa và sẽ tăng gấp 100 lần để đạt được kích thước cuối cùng? 

Nhà khoa học tính toán tại SLCU, tiến sỹ Argyris Zardilis đã phát triển một mô hình tính toán để cố gắng tìm ra câu trả lời cho câu đố này. Tiến sỹ Zardilis cho biết: "Các mô hình toán học có thể giúp chúng tôi kiểm tra các giả thuyết của mình về cách các tế bào phát triển cùng nhau để tạo thành các hình dạng và kiểu mẫu phức tạp. Sử dụng mô phỏng tính toán một chiều, chúng tôi đã chỉ ra cách sự mở rộng và phân chia tế bào khác biệt là các cơ chế hợp lệ để duy trì hoặc sửa đổi tỷ lệ bia ngắm". 

Kết hợp cả mô hình tính toán và kết quả thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng thực vật có thể thay đổi kích thước bia rất sớm trong giai đoạn tiền tạo mẫu hoặc điều chỉnh sự tăng trưởng ở bất kỳ vùng nào của bia, bằng cách điều chỉnh sự mở rộng hoặc phân chia tế bào, trong quá trình phát triển sau này.

Đĩa hoa nhân tạo được thiết kế để mô phỏng kích thước của ba bông hoa dâm bụt nhằm kiểm tra xem ong đất có thể phân biệt được các kích thước của hoa hay không. 

Nguồn: Lucie Riglet.

Kích thước hoa văn thực sự quan trọng đối với loài thụ phấn

Tiến sỹ Riglet sau đó so sánh mức độ thành công tương đối của các mẫu hình bia trong việc thu hút các loài thụ phấn bằng cách sử dụng đĩa hoa nhân tạo mô phỏng ba kích thước bia khác nhau. Tiến sỹ Riglet giải thích, "Chúng tôi đã sử dụng đĩa in 3D mô phỏng các mẫu màu của ba bông hoa dâm bụt để xem liệu các loài thụ phấn có thể phân biệt được các bia có nhiều kích thước khác nhau hay không và liệu chúng có sở thích nào không. Những con ong thích các bia có kích thước trung bình và lớn hơn so với các bia nhỏ nhất, nhưng chúng có vẻ thích các kích thước trung bình và lớn như nhau. 

“Sau đó, chúng tôi đã thử nghiệm để xem sở thích này có chuyển thành hiệu quả kiếm ăn hay không. Những con ong không chỉ thích những điểm trung bình và lớn hơn mà còn nhanh hơn 25% khi ghé thăm những bông hoa. Việc kiếm ăn đòi hỏi rất nhiều năng lượng, vì vậy nếu một con ong có thể ghé thăm 4 bông hoa thay vì 3 bông hoa cùng một lúc, thì điều này có lợi cho cả ong và cây”.

Tiến sỹ Moyroud nói thêm: “Nghiên cứu này làm nổi bật độ chính xác đáng kinh ngạc mà thực vật có thể tạo ra các mẫu đầy màu sắc, tinh chỉnh sự tăng sinh và biệt hóa tế bào để tạo ra các tín hiệu thị giác và giao tiếp hiệu quả với côn trùng thụ phấn. Khám phá này không chỉ thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về sinh học thực vật mà còn nhấn mạnh mối liên hệ phức tạp giữa thực vật và môi trường của chúng. 

“Nghiên cứu làm sáng tỏ rằng việc tạo hoa văn trước của cánh hoa xảy ra rất sớm trong quá trình phát triển của chúng và cũng cho thấy các chiến lược tạo hoa văn trước này có thể có nguồn gốc từ quá trình tiến hóa sớm. Các sinh vật sống như thực vật thường sử dụng lại các cơ chế di truyền và do đó, có thể các quá trình tạo hoa văn tạo ra hoa hình bia cũng được sử dụng để kiểm soát việc tạo hoa văn của tất cả các loại hoa khác nhau hoặc thậm chí để tạo hoa văn ở các cơ quan thực vật khác như lá, nhưng điều này cần được nghiên cứu thêm. 

“Bước tiếp theo của chúng tôi là tìm kiếm nguyên nhân tạo ra mẫu cánh hoa trước. Chúng tôi hy vọng rằng có một tín hiệu bên ngoài liên quan và các tế bào nằm gần nguồn tín hiệu nhất là những tế bào mà chúng tôi nhìn thấy ranh giới bullseye đầu tiên phát sinh từ đó”. 

Những phát hiện này mở đường cho những nghiên cứu sâu hơn về cách các kiểu cánh hoa ảnh hưởng đến sự tồn tại và tiến hóa của các loài thực vật có hoa. 

Ví dụ, H. richardsonii, loài có bullseye nhỏ nhất trong ba loài cây dâm bụt được nghiên cứu trong nghiên cứu này, là loài thực vật cực kỳ nguy cấp có nguồn gốc từ New Zealand. H. trionum cũng được tìm thấy ở New Zealand, nhưng không được coi là loài bản địa và phân bố rộng rãi trên khắp Úc và Châu Âu và đã trở thành loài thực vật tự nhiên mọc dại ở Bắc Mỹ. Cần có thêm nghiên cứu để xác định xem kích thước bullseye lớn hơn có giúp H. trionum thu hút nhiều loài thụ phấn hơn và tăng khả năng sinh sản thành công hay không. 

Tóm lại, kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: 

• - Hình thành hoa văn trước ở biểu bì cánh hoa: Ranh giới phân chia các vùng khác nhau của hoa văn cánh hoa được hình thành từ lâu trước khi hoa văn đó xuất hiện, cho thấy biểu bì cánh hoa đã được hình thành hoa văn trước. 
•  
• - Cơ chế biến đổi hoa văn: Thực vật sử dụng ít nhất hai cơ chế để tạo ra các biến thể về tỷ lệ hoa văn cánh hoa. Chúng có thể kiểm soát ranh giới hoa văn ban đầu được chỉ định ở đâu trong giai đoạn tiền hoa văn hoặc điều chỉnh sự phát triển ở cả hai bên ranh giới trong các giai đoạn phát triển sau này. 
•  
• - Sự đa dạng tự nhiên về kích thước hoa văn cánh hoa: Sự khác biệt về kích thước hoa văn cánh hoa giữa H. trionum và họ hàng của nó góp phần vào sự đa dạng tự nhiên và có ý nghĩa sinh học. Những biến thể này có thể ảnh hưởng đến sự cô lập sinh sản và hình thành loài, vì các loài thụ phấn như ong đất đuôi trắng có thể xác định nguồn thức ăn chỉ dựa trên kích thước hình bia và thể hiện sở thích bẩm sinh đối với các tỷ lệ hoa văn cụ thể. 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.