KHOA HỌC THỰC VẬT CÙNG VỚI SỰ THAY ĐỔI

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington đã tìm ra cơ chế gây ra sự phát triển biến đổi của các cơ quan thực vật.

Rễ cây này nằm trong số những mẫu được nghiên cứu trong một dự án mới nhằm khám phá cơ sở phân tử của cách thức thực vật xoắn rễ. Nguồn: Phòng thí nghiệm Dixit.

Từ những cây bìm bìm leo xoắn ốc lên cột hàng rào đến những cây nho uốn lượn quanh giàn, sự phát triển uốn cong là một công cụ giải quyết vấn đề được tìm thấy trong toàn bộ thế giới thực vật. Rễ cây "xoắn" liên tục, nghiêng mạnh sang phải hoặc trái để tránh đá và các mảnh vụn khác.

Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng đột biến ở một số gen nhất định ảnh hưởng đến các vi ống trong thực vật có thể khiến cây phát triển theo kiểu xoắn. ​​Trong hầu hết các trường hợp, đây là "đột biến vô hiệu", có nghĩa là sự xoắn thường là hậu quả của sự thiếu vắng một gen cụ thể.

Điều này vẫn còn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học thực vật như Ram Dixit, giáo sư Sinh học George và Charmaine Mallinckrodt tại Đại học Washington ở St. Louis. Sự thiếu hụt một gen lẽ ra phải gây ra đủ loại vấn đề khác cho thực vật, thế nhưng sự phát triển xoắn vặn lại là một sự thích nghi tiến hóa vô cùng phổ biến.

Dixit, với sự giúp đỡ của cựu sinh viên tiến sỹ Natasha Nolan và Guy Genin thuộc Trường Kỹ thuật McKelvey của Đại học Washington, đã tìm ra một câu trả lời khả thi, hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Hóa ra, không cần đột biến mất chức năng hoàn toàn để tạo ra sự xoắn vặn, chỉ cần thay đổi biểu hiện gen ở một vị trí cụ thể như lớp biểu bì thực vật.

“Điều đó có thể giải thích tại sao hiện tượng này lại phổ biến đến vậy: bạn không cần đột biến vô hiệu hóa để tạo ra kiểu tăng trưởng này, bạn chỉ cần tìm cách điều chỉnh một số gen nhất định trong lớp biểu bì mà thôi”, Dixit, người đồng thời là chủ nhiệm khoa sinh học tại Khoa Nghệ thuật và Khoa học, cho biết.

“Khám phá này là một ví dụ hoàn hảo về mục tiêu mà trung tâm của chúng tôi hướng đến”, Genin, giáo sư Kỹ thuật Cơ khí Harold và Kathleen Faught kiêm đồng giám đốc CEMB, cho biết. “Bằng cách kết hợp các thí nghiệm sinh học với mô hình cơ học, chúng tôi đã phát hiện ra một nguyên lý cơ bản: Lớp ngoài cùng của rễ chi phối hành vi xoắn của nó thông qua cùng một nguyên lý vật lý xoắn (xoắn do mô men xoắn tác dụng) giải thích tại sao các ống rỗng có thể gần như chắc chắn như các thanh đặc. Hình học đóng vai trò vô cùng quan trọng”.

Cung cấp thực phẩm cho một thế giới đang thay đổi

Ngoài sự tò mò về mặt tiến hóa, việc hiểu cách rễ cây di chuyển trong đất ngày càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Khi biến đổi khí hậu làm trầm trọng thêm tình trạng hạn hán và đẩy nông nghiệp lên những vùng đất cằn cỗi với đất đá sỏi, nén chặt, các loại cây trồng có hệ rễ có thể phát triển mạnh trong điều kiện khắc nghiệt đang trở thành nhu cầu thiết yếu.

“Rễ cây là một nửa ẩn khuất của nông nghiệp”, Charles Anderson, giáo sư sinh học và người đứng đầu CEMB tại Đại học bang Pennsylvania, đồng thời là đồng tác giả chính của bài báo, cho biết.

“Khả năng tìm kiếm nước và chất dinh dưỡng của cây phụ thuộc hoàn toàn vào cách rễ cây khám phá đất. Nếu chúng ta có thể hiểu được cách rễ cây uốn lượn và vượt qua các chướng ngại vật, chúng ta có thể giúp cây trồng tồn tại ở những nơi mà hiện tại chúng không thể”.

Sự phát triển xoắn vặn cũng đóng vai trò trong cách dây leo leo lên, cách thân cây chống lại gió và cách thực vật bám rễ chống lại xói mòn - những yếu tố quan trọng đối với cả an ninh lương thực và khả năng phục hồi của hệ sinh thái.

Giải mã bí ẩn

Sử dụng một hệ thống thực vật mô hình trong đó rễ có thể uốn cong sang phải hoặc trái, Nolan bắt đầu tìm hiểu xem các lớp tế bào thực vật nào điều chỉnh hành vi xoắn này.

Các tế bào thực vật được khóa chặt tại chỗ, gần như dính liền với nhau và được bao quanh bởi một thành tế bào cứng chắc. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng các đường xoắn xuất hiện từ lớp vỏ bên trong, nơi đột biến khiến các tế bào trở nên ngắn và rộng thay vì dài và mảnh. Quan điểm cho rằng kiểu hình xoắn xuất hiện là do lớp biểu bì phải "nghiêng" để duy trì tính toàn vẹn cấu trúc và vươn tới các tế bào lân cận ở lớp vỏ ngắn và mảnh khảnh.

Nolan, hiện đang làm việc tại Pivot Bio, muốn xem liệu họ có thể khôi phục lại bộ rễ thẳng bằng cách biểu hiện gen kiểu hoang dã theo cách cụ thể ở từng lớp tế bào thay vì biểu hiện khắp rễ như đã từng làm trước đây hay không.

Phát hiện đáng chú ý là nếu họ biểu hiện gen kiểu hoang dã này (gen giữ cho rễ thẳng) trong bất kỳ lớp tế bào bên trong nào, thì những cây đó vẫn trông giống hệt như cây đột biến xoắn không có gen này. "Việc protein đó được tạo ra trong một số lớp tế bào bên trong không quan trọng, nó giống như không tồn tại vậy", Dixit nói.

Ngược lại, khi gen kiểu hoang dã chỉ được biểu hiện ở lớp biểu bì, rễ cây mọc thẳng. Điều đó cho các nhà nghiên cứu biết rằng “lớp tế bào chiếm ưu thế, thực sự quyết định hành vi này, chính là lớp biểu bì”, Dixit nói.

Bí ẩn đã được giải đáp, lớp biểu bì mới là yếu tố quyết định sự xoắn vặn. Nhưng bằng cách nào? Đó là lúc các nhà cơ sinh học vào cuộc, bao gồm cả các đồng tác giả Genin và Anderson.

Phòng thí nghiệm của Anderson đã đo hướng của các vi sợi cellulose trong rễ đột biến và rễ kiểu hoang dã. Các khuyết tật xoắn dường như làm thay đổi sự lắng đọng cellulose, và Genin đã sử dụng dữ liệu đó để tạo ra một mô hình máy tính giải thích tại sao lớp biểu bì lại chiếm ưu thế.

“Khi bạn có các lớp tế bào đồng tâm, giống như các vòng trong thân cây, vòng ngoài có tác động mạnh hơn nhiều lên toàn bộ cấu trúc so với các vòng trong”, Genin giải thích. “Mô hình của chúng tôi cho thấy rằng nếu chỉ có lớp biểu bì có các hàng tế bào bị lệch, nó có thể tạo ra khoảng một phần ba tổng độ xoắn mà bạn sẽ thấy nếu mọi lớp đều bị lệch. Nhưng nếu bạn chỉ sửa lớp biểu bì, toàn bộ rễ sẽ thẳng ra. Phép toán rất rõ ràng: Lớp ngoài đóng vai trò quyết định”.

Mô hình này đã xác nhận những gì Nolan tìm thấy trong các thí nghiệm của mình. Khi bà biểu hiện gen kiểu hoang dã (rễ thẳng) chỉ ở lớp biểu bì, nó thậm chí còn ảnh hưởng đến các tế bào vỏ vẫn mang đột biến. Thay vì ngắn và rộng, các tế bào bên trong đó trở nên dài và mảnh hơn, gần giống như kiểu hoang dã.

“Bằng cách nào đó, lớp tế bào biểu bì có khả năng điều khiển các lớp tế bào bên trong”, Dixit nói. “Biểu bì không phải là một lớp da thụ động, mà là một bộ điều phối cơ học cho sự phát triển của toàn bộ cơ quan”.

Giờ đây, khi các nhà khoa học đã hiểu được cách thực vật "xoắn mình", họ có thể áp dụng những phát hiện đó để giải quyết các thách thức trong khoa học nông nghiệp.

“Hãy tưởng tượng bạn có thể thiết kế các loại cây có khả năng điều chỉnh độ xoắn của rễ”, Anderson nói. “Trong điều kiện địa hình đá sỏi, khắc nghiệt, bạn có thể muốn rễ cây có khả năng xoắn ốc để vượt qua chướng ngại vật. Nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta mục tiêu và khuôn khổ cơ học để xem xét kiến ​​trúc rễ cây như một vấn đề kỹ thuật”.

Genin nói thêm "Đây là loại vấn đề đòi hỏi nhiều góc nhìn khác nhau".

“Một nhà sinh vật học đơn độc có thể đã phát hiện ra rằng lớp biểu bì rất quan trọng, nhưng sẽ không có công cụ để giải thích tại sao. Một kỹ sư đơn độc không thể thực hiện được nghiên cứu di truyền và phân tích kiểu hình”, ông nói. “Cùng nhau, với tư cách là một trung tâm, chúng tôi đã có được bức tranh toàn cảnh”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Washington.