Mẹ biết điều tốt nhất – Cách những thông điệp của mẹ chỉ dẫn để hạt giống thành công

Bất cứ thử thách nào mà cuộc sống đưa đến, những người mẹ thường biết cách tốt nhất để hướng dẫn con mình vượt qua những giai đoạn khó khăn, nguy hiểm ở các thời kỳ phát triển sớm. Trường hợp này, quen thuộc với con người, hoá ra là cũng đúng với thực vật, theo nghiên cứu hấp dẫn từ Trung Tâm John Innes và Viện Earlham.

Nghiên cứu đăng trên tạp chí PNAS giải quyết những câu hỏi lâu đời của sinh học: Liệu hạt thực vật có thể cảm nhận trực tiếp được môi trường đang phát triển của nó hoặc bằng một cách nào đó, những thông tin theo mùa mà cha mẹ chúng thu được truyền lại cho hạt?

Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã tận dụng những tiến bộ của công nghệ tế bào đơn cho phép phân tích phân tử tế bào cả cá nhân và trong môi trường mô, tại chỗ.

Họ đã áp dụng công nghệ đang phát triển này vào mẫu mô của cây Arabidopsis thaliana, cây mô hình kiểu mẫu có cả cơ quan sinh sản đực và cái.

Họ tìm thấy rằng acid absisic (ABA), một hóc môn thực vật, gia tăng trong các cơ quan sinh sản đặc biệt của cây mẹ khi nhiệt độ giảm.

Trong những điều kiện mát mẻ hơn, hóc môn này, một chất ức chế sinh trưởng, được gửi sớm tới hạt đang phát triển ở tỷ lệ cao hơn, giúp nó bước vào trạng thái ngủ, ngăn hạt giống phát triển cho tới khi có điều kiện môi trường thuận lợi hơn.

Ở nhiệt độ ấm áp có lợi cho sự nảy mầm của hạt giống, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy ABA không đạt đỉnh sớm mà phát triển đều đặn, ít đóng vai trò trong sự ngủ quên của hạt giống.

Những mô khác không phải là cơ quan sinh sản của mẹ thể hiện ít hoặc không có sự thay đổi của ABA theo nhiệt độ. Những thí nghiệm tiếp theo cho thấy cây mẹ không thể sản xuất ra hóc môn này nên không thể gây ra phản ứng ngủ trong hạt của chúng.

Cùng với nhau, các thí nghiệm này thể hiện một cơ chế trong đó các hạt giống đang phát triển nhận được nhiệt độ và thông tin dinh dưỡng theo mùa từ cây mẹ, dưới dạng của ABA.

Nghiên cứu này là chìa khoá cho cuộc tranh luận về việc bao lâu thực vật có thể đáp ứng với biến đổi khí hậu. Thông điệp từ nghiên cứu này nói rằng, ở một mức độ nào đó, thực vật có thể thích nghi gần như ngay lập tức bởi vì chúng được mẹ của chúng thích nghi trước với môi trường mà chúng phân tán vào, sử dụng thông điệp hóc môn nhanh chóng.

Bằng cách tập trung vào cách thức vận chuyển của hóc môn có thể ảnh hưởng tới các tính trạng truyền từ thế hệ này sang thế hệ sau, nghiên cứu này giới thiệu một công cụ mới, cùng với di truyền và biểu sinh, cho các nhà nghiên cứu và chọn giống tìm kiếm và phát triển các loại cây trồng thông minh về khí hậu.

Nghiên cứu này cũng giúp giải quyết một vấn đề lớn trong nông nghiệp liên quan tới khả năng nảy mầm – khả năng hạt giống nảy mầm trong một thời gian xác định dẫn tới việc có thể dự đoán năng suất cây trồng cho nông dân. Sử dụng kiến thức thu được trong các thí nghiệm này có thể cho phép hạt giống phát triển tốt hơn trong môi trường bản địa của chúng nơi mà cây mẹ đã từng sinh trưởng và phát triển.

Giáo sư Steve Penfield, trưởng nhóm nghiên cứu tại Trung Tâm John Innes và là tác giả thông tấn của nghiên cứu phát biểu: “Là con người, chúng ta đã dành rất nhiều nỗ lực để giúp trẻ em thích nghi với môi trường xã hội và chúng tôi đã tìm thấy một mô hình tương tự ở thực vật. Nhiệt độ và nguồn dinh dưỡng sẵn có mà cây mẹ trải qua quyết định lượng hóc môn chúng chuyển sang cho hạt giống. Điều này cho thấy thực vật không chỉ dựa vào tiến hoá hoặc thay đổi ở di truyền, chúng có thể đơn giản có được đúng lượng hóc môn để giúp hạt giống tiền thích nghi với môi trường mà mẹ chúng đã trải qua”.

Một đặc điểm quan trọng của nghiên cứu là kết hợp sử dụng nền tảng 10X Genomics Chromium X (Bộ giải trình tự tế bào đơn hiệu suất cao) và BD FACSAria™ Fusion (Máy đo lưu lượng tế bào) tại Viện Earlham.

Trước đây, những ảnh hưởng của hóc môn rất khó để phát hiện khi nhìn vào toàn bộ mô thực vật, nhưng việc kiểm tra các mô riêng lẻ với sự hỗ trợ của thiết bị cảm biến sinh học, cho thấy các hoạt động dưới mức tế bào, điều mà chưa từng được thấy trước đây.

Giáo sư cho biết: “Chúng tôi có thể nhìn thấy tất cả các tế bào có hóc môn trong đó, sự di chuyển từ các mô của mẹ tới hạt giống và phản ứng của mỗi hạt giống với hóc môn từ mẹ. Chúng tôi không thể nhìn thấy chi tiết đáng kinh ngạc này trước đây, công nghệ và chuyên môn của các đồng nghiệp tại Viện Earlham đã làm biến đổi lĩnh vực nghiên cứu này”.

Tiến sỹ Andrew Goldson, đồng tác giả của bài báo và là người quản lý nền tảng tế bào đơn và phân tích không gian tại Viện Earlham cho biết: “Cố gắng trích xuất thông tin từ nguồn mẫu khổng lồ giống như là đang cố gắng phân lập các hương vị riêng lẽ trong một ly sinh tố trái cây. Công nghệ tế bào đơn là một phương pháp phân lập những hương vị riêng lẽ đó, nó cho phép chúng ta có được những thông tin cụ thể từ mỗi tế bào trong một mô. Nhờ sự tài trợ từ BBSRC, chúng tôi đã xây dựng một nền tảng mạnh về tế bào đơn và những công nghệ không gian và chuyên môn đó đã hỗ trợ các nhà khoa học tối ưu những nghiên cứu và khám phá”.

Trương Thị Tú Anh theo Trung Tâm John Innes.