Mô hình toán học mới làm sáng tỏ các cơ chế phức tạp chi phối sự phát triển của lông hút ở thực vật

Lông hút là những cấu trúc dạng ống kéo dài, chỉ gồm một tế bào và phát sinh từ rễ. Chúng làm tăng đáng kể khả năng hấp thu nước và chất dinh dưỡng của cây khi phát triển xuyên qua các khe hở trong đất.

Việc hình thành một tế bào thực vật đơn lẻ có dạng kéo dài không phải là một quá trình đơn giản. Sự phát triển của lông hút phụ thuộc vào cơ chế sinh trưởng phân cực được điều hòa chặt chẽ, trong đó vật liệu thành tế bào mới chỉ được lắng đọng tại đầu mút sinh trưởng, cho phép tế bào kéo dài theo chiều dọc mà không tăng đường kính.

Cận cảnh rễ cây bí ngô (Cucurbita maxima) phủ kín lông hút. Nguồn: Schlaghecken Josef, CC BY-SA 4.0, thông qua Wikimedia Commons.

Các mô hình được phát triển trước đây đã góp phần đáng kể vào việc nâng cao hiểu biết về cơ chế sinh trưởng phân cực của tế bào. Tuy nhiên, việc tích hợp nhiều thành phần có sự tương tác lẫn nhau vào một khuôn khổ mô hình thống nhất vẫn là một thách thức.

Nhóm nghiên cứu của Marie-Edith Chabouté tại Viện Sinh học Phân tử Thực vật (Institut de Biologie Moléculaire des Plantes) và nhóm của Giáo sư Henrik Jönsson tại Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge (Sainsbury Laboratory Cambridge University) đã giải quyết thách thức này bằng cách thu thập các dữ liệu thực nghiệm định lượng cần thiết và xây dựng một mô hình tích hợp các bào quan tham gia vào quá trình phát triển của lông hút, bao gồm nhân và bộ xương tế bào, được cấu thành từ các vi sợi actin và vi ống.

Được công bố trên tạp chí The Plant Cell, nghiên cứu sử dụng cây mô hình Arabidopsis thaliana kết hợp với kỹ thuật ghi hình trực tiếp có độ phân giải cao để mô tả động thái của các bào quan trong giai đoạn phát triển muộn của lông hút với mức độ chi tiết chưa từng có.

Để ghi nhận các động thái này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một thiết bị vi lưu chuyên dụng gồm các kênh dẫn hẹp, giúp định hướng lông hút phát triển theo đường thẳng, từ đó cho phép ghi hình trực tiếp liên tục với độ phân giải cao dưới kính hiển vi. Phương pháp này giúp theo dõi sự dịch chuyển và sự sắp xếp của nhân, không bào, các vi sợi actin và vi ống.

Tiến sỹ Gilles Dupouy, đồng tác giả thứ nhất của nghiên cứu thuộc Viện Sinh học Phân tử Thực vật (CNRS/Đại học Strasbourg), cho biết: "Chúng tôi đã theo dõi được động thái nội tại của các bào quan và xác định được sự chuyển đổi rõ rệt từ giai đoạn sinh trưởng nhanh sang sinh trưởng chậm, đồng thời với sự tái tổ chức động thái của bộ xương tế bào".

Các giai đoạn phát triển đặc trưng của lông hút

Thông qua việc theo dõi quá trình sinh trưởng theo thời gian, nhóm nghiên cứu đã xác định được bốn giai đoạn phát triển chính của lông hút:

• Giai đoạn sinh trưởng nhanh: tốc độ sinh trưởng trung bình tại đầu mút ở cuối giai đoạn đạt 1,34 µm/phút;

• Giai đoạn chuyển tiếp: nhân di chuyển về phía đầu mút sinh trưởng;

• Giai đoạn sinh trưởng chậm: tốc độ sinh trưởng ban đầu tại đầu mút đạt trung bình 0,51 µm/phút;

• Giai đoạn trưởng thành sớm.

Trong giai đoạn chuyển tiếp, nhân di chuyển đến gần đầu mút sinh trưởng hơn, đồng thời sự phân bố của các vi sợi actin cũng dịch chuyển về phía trước. Mật độ vi ống đạt cực đại ở phía sau nhân vào cuối giai đoạn sinh trưởng nhanh, trước khi giảm dần khi tốc độ sinh trưởng chậm lại.

Tiến sỹ Gilles Dupouy cho biết: "Các giai đoạn này phản ánh quá trình tái tổ chức của tế bào được điều phối hết sức chặt chẽ. Bộ xương tế bào điều hòa vị trí của nhân so với đầu mút sinh trưởng, yếu tố thiết yếu để duy trì sự sinh trưởng liên tục, đồng thời kiểm soát chuyển động dao động của nhân. Khi hệ thống chuyển sang giai đoạn này, chúng tôi cũng quan sát thấy những thay đổi đồng bộ về cấu trúc không bào, độ cứng của tế bào và đường kính của lông hút".

Mô hình toán học giải thích cơ chế sinh trưởng của tế bào

Để lý giải các kết quả này, tiến sỹ Tamsin Spelman, đồng tác giả thứ nhất của nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge, đã xây dựng một mô hình toán học liên kết tốc độ sinh trưởng ở đầu mút với động thái của các bào quan.

Tiến sỹ Spelman cho biết: "Cách tiếp cận của chúng tôi tích hợp các bào quan theo cách phản ánh đúng bản chất sinh học của chúng. Trong mô hình, khả năng giãn của thành tế bào quyết định tốc độ sinh trưởng của tế bào, trong khi sự di chuyển của nhân chịu sự chi phối chủ yếu bởi các lực đối kháng do vi ống và vi sợi actin tạo ra. Các lực này được mô tả trong mô hình toán học dưới dạng các tương tác giống như lò xo, có tác dụng kéo nhân về phía đầu mút sinh trưởng hoặc theo hướng ngược lại".

Khi được kiểm chứng bằng dữ liệu thực nghiệm, mô hình đã tái hiện thành công nhiều hiện tượng quan sát được, bao gồm sự di chuyển của nhân và sự chuyển tiếp giữa các giai đoạn sinh trưởng. Tuy nhiên, một số sai khác giữa mô hình và kết quả thực nghiệm cũng cho thấy vẫn còn những khía cạnh cần tiếp tục hoàn thiện.

Để tiếp tục kiểm chứng khuôn khổ mô hình, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các dòng thực vật đột biến cùng các tác nhân dược lý nhằm chủ động kích hoạt hoặc làm gián đoạn quá trình chuyển tiếp giữa các giai đoạn sinh trưởng của lông hút. Các thí nghiệm này đã xác nhận những dự đoán của mô hình, đồng thời phát hiện những tương tác giữa vi sợi actin và vi ống mà trước đây chưa được ghi nhận.

Hướng tới hiểu biết toàn diện hơn về sự phát triển của tế bào thực vật

Lông hút đóng vai trò thiết yếu đối với sự sinh trưởng và tồn tại của thực vật. Bằng cách làm tăng diện tích bề mặt của rễ, lông hút giúp cây hấp thu nước và chất dinh dưỡng hiệu quả hơn.

Mỗi lông hút có thể phát triển dài tới 1 mm trong khi vẫn duy trì đường kính được kiểm soát chặt chẽ.

Mô hình này tạo nền tảng vững chắc cho việc mô phỏng sự phát triển của lông hút, đồng thời cho thấy cần tích hợp thêm các yếu tố sinh học khác vào mô hình, bao gồm áp suất trương, độ cứng của thành tế bào, cũng như vị trí và kích thước của không bào. Tiến sỹ Tamsin Spelman cho biết: "Trong các nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi sẽ tích hợp thêm nhiều đặc tính của tế bào vào mô hình".

Tiến sỹ Gilles Dupouy cho biết: "Việc tích hợp các công cụ đo áp suất trương và độ cứng của thành tế bào theo thời gian thực sẽ giúp chúng ta hiểu đầy đủ hơn cách tế bào thực vật vừa duy trì hình dạng vừa tiếp tục sinh trưởng".

Mô hình tích hợp các giai đoạn phát triển của lông hút: Bên trái là mô hình kiểu hình được xây dựng dựa trên các quan sát hiển vi; bên phải là mô hình toán học động. Vi ống nội chất (Endoplasmic microtubules, EMTs; nằm ở trung tâm tế bào) và vi ống vỏ (Cortical microtubules, CMTs; nằm ở vùng ngoại vi tế bào) được biểu diễn bằng các đường màu xanh lá cây ở hình bên trái. Các vi sợi actin (Actin filaments, AFs) được biểu diễn bằng các đường màu vàng.

Huỳnh Thị Đan Anh theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.