Những hiểu biết mới về số phận tế bào của mô phân sinh cụm hoa Arabidopsis

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra bản đồ chi tiết nhất từ ​​trước đến nay về cách các tế bào gốc ở đầu chồi non của cây bắt đầu hành trình hình thành nên nhiều loại tế bào khác nhau tạo nên hoa và thân cây.

Họ đã xác định được 18 nhóm loại tế bào khác nhau trong mô phân sinh cụm hoa (vùng tế bào gốc ở đầu chồi hoa) tạo ra các cơ quan trên mặt đất của cây như thân và hoa.

Các nhóm tế bào được xác định bao gồm tiền thân của vỏ cây (một lớp mô giúp nâng đỡ cây và lưu trữ chất dinh dưỡng) và các mô tế bào mạch, bao gồm mạch rây, mạch gỗ và tầng sinh mạch. Điều này cho thấy quá trình hình thành mô bắt đầu sớm hơn nhiều trong mô phân sinh so với suy nghĩ trước đây, với các nhóm tế bào riêng biệt phân hóa trong quá trình hình thành mầm.

Nhận dạng tế bào mô phân sinh cụm hoa: (A) Sơ đồ bố trí theo hướng lực của các cụm liên quan đến các lớp tế bào bên trong như mầm sớm (EP), tế bào chưa phân hóa, mô tiền mạch, mô mềm mạch gỗ và vỏ. Các cụm được biểu thị bằng các màu khác nhau. (B) Minh họa sơ đồ các nhận dạng tế bào được chọn trong mô phân sinh thân chính và cụm hoa. Các bó mô tiền mạch phát sinh trong các mầm đang phát triển và tạo ra các bó mạch, sau đó phân hóa thành mạch rây, mô phân sinh và mạch gỗ trong thân chính. Vị trí chính xác của các nhận dạng tế bào trong thân chính được biểu thị bằng sơ đồ chứ không phải được mô tả chính xác. Minh họa bởi tác giả đầu tiên, tiến sỹ Sebastián Moreno-Ramírez.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, do sự hợp tác giữa các nhóm nghiên cứu của  Henrik Jönsson, Elliot Meyerowitz và James Locke tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU) thực hiện, cung cấp những hiểu biết mới về cách mô phân sinh cụm hoa tạo ra sự đa dạng đáng kể của các loại tế bào cấu thành nên các cơ quan trên mặt đất của cây.

Khác với động vật, thực vật tiếp tục sản sinh các cơ quan mới trong suốt vòng đời của chúng. Sự phát triển suốt đời này phụ thuộc vào việc duy trì quần thể tế bào gốc trong các mô chuyên biệt gọi là mô phân sinh.

Mô phân sinh cụm hoa liên tục sản sinh ra các tế bào sẽ phát triển thành hoa, thân cây và các mô mạch dẫn nước và chất dinh dưỡng đi khắp cây.

Mặc dù các nhà khoa học đã biết rằng mô phân sinh chứa các vùng chức năng riêng biệt, nhưng vẫn chưa rõ làm thế nào tế bào gốc chuyển đổi từ trạng thái chưa biệt hóa thành các loại tế bào chuyên biệt.

Điều này đặc biệt thú vị vì các tế bào nằm sát nhau có thể có số phận hoàn toàn khác nhau – một tế bào trở thành mạch dẫn nước trong khi tế bào bên cạnh trở thành cánh hoa.

Nghiên cứu các loại tế bào khác nhau trong mô phân sinh cụm hoa: Mặc dù chúng ta biết một số yếu tố điều hòa rất quan trọng trong một số vùng nhất định của mô phân sinh cụm hoa, chẳng hạn như các vùng đã xác định được phản ứng với cytokinin (CT) và auxin (B) , nhưng vẫn còn nhiều khía cạnh chưa được biết đến trong vùng tế bào gốc này. (A) Mô phân sinh cụm hoa chịu trách nhiệm sản xuất hoa và thân cây. Vùng trung tâm (CZ) và trung tâm tổ chức (OC) là các vùng dành riêng cho sự tự đổi mới và duy trì tính đa năng. Số phận của tế bào và các yếu tố điều hòa hoạt động trong vùng gân (RZ), vùng ngoại vi (PZ) vẫn còn tương đối chưa được biết đến. (C) Bài nghiên cứu này đã nghiên cứu mô phân sinh một cách chi tiết hơn để tiết lộ các con đường phát triển và số phận tế bào mới. (Đồ họa và hình ảnh do Sebastián Moreno-Ramírez thực hiện).

Tế bào quyết định số phận của mình như thế nào?

Sử dụng một kỹ thuật tương đối mới gọi là giải trình tự RNA đơn nhân (snRNA-seq), các nhà nghiên cứu đã theo dõi các con đường phát triển này với độ chi tiết chưa từng có ở cây mô hình Arabidopsis thaliana.

Nghiên cứu này đã đo lường sự biểu hiện của 19.491 gen trong 10.025 nhân tế bào riêng lẻ được chiết xuất từ ​​mô phân sinh được phân tách tỉ mỉ.

Bằng cách phân tích hoạt động của các gen (biểu hiện gen) trong hàng nghìn nhân tế bào riêng lẻ được phân lập từ mô phân sinh của cụm hoa, tác giả chính, tiến sỹ Sebastián Moreno-Ramírez, đã liên kết các tế bào gốc với các trạng thái biệt hóa sớm nhất của chúng

Sử dụng snRNA-seq: Sơ đồ quy trình làm việc tổng quát được sử dụng để phân tích transcriptome tế bào đơn từ các mô phân sinh cụm hoa Arabidopsis thaliana đã được tách rời. Các mô phân sinh hoa có đài hoa rõ ràng đã được loại bỏ (> giai đoạn 4). Các mô phân sinh đã tách rời được đông lạnh và sau đó được nghiền nát bằng chày nghiền. Các nhân được phân loại bằng FACS trước khi tải lên chip Chromium 10X. Thanh tỷ lệ = 100µm.

Giải trình tự RNA đơn nhân (snRNA-seq)

Giải trình tự RNA đơn nhân (snRNA-seq) đang nổi lên như một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu sự phát triển của thực vật vì các nhân tế bào có thể được phân lập từ các mô đông lạnh.

Điều này đặc biệt có giá trị đối với các mô nhỏ và khó phân lập, chẳng hạn như mô phân sinh của cụm hoa, bởi vì các mẫu được phân tích cẩn thận có thể được đông lạnh và gộp lại theo thời gian. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu làm phong phú thêm tập dữ liệu về các tế bào từ mô cụ thể mà họ quan tâm.

Thay vì phân tích toàn bộ tế bào như phương pháp giải trình tự RNA đơn bào truyền thống, snRNA-seq chỉ phân lập và giải trình tự vật liệu di truyền từ nhân tế bào. Nhân tế bào được tách ra khỏi mô trong khi vẫn giữ nguyên RNA nhân, sau đó được phân lập và giải trình tự.

Cách tiếp cận này cũng giúp giảm nguy cơ ảnh hưởng đến quá trình biểu hiện gen trong quá trình chuẩn bị mẫu.

Các gen đánh dấu được chọn cho mỗi cụm tế bào trong mô phân sinh cụm hoa.

Bằng cách sử dụng các gen đánh dấu mà họ biết là đã hoạt động mạnh hơn ở những vị trí cụ thể, các nhà nghiên cứu đã có thể suy luận ra nơi các trạng thái tế bào khác nhau phát sinh trong mô phân sinh.

“Chúng tôi muốn hiểu làm thế nào một quần thể tế bào gốc tương đối nhỏ có thể liên tục tạo ra nhiều loại tế bào khác nhau cần thiết để xây dựng một cây”, tiến sỹ Moreno-Ramírez cho biết.

“Bằng cách quan sát sự biểu hiện gen của nhân tế bào, chúng tôi đã có thể suy luận về quỹ đạo phát triển thông qua các công cụ phân tích dữ liệu lớn và phần mềm quỹ đạo tiên tiến để tái tạo lại các con đường phát triển”.

Các quỹ đạo này đã tiết lộ các chương trình biểu hiện gen liên quan đến sự hình thành các cơ quan hoa ban đầu và các loại tế bào mạch, bao gồm tầng sinh mạch, mạch gỗ và mạch rây.

Đặc điểm của vỏ và mạch máu phân hóa trong quá trình hình thành mầm trong mô phân sinh cụm hoa: (trái) Hình chiếu vuông góc và hình chiếu tối đa của IM từ dòng báo cáo pJKD::JKD-eYFP được nhuộm bằng PI. (phải) Mặt cắt vuông góc của hình ảnh chiếu sáng tấm của dòng báo cáo pJKD::JKD-eYFP.

Phân tích này cũng ghi nhận những thay đổi động liên quan đến quá trình tiến triển qua chu kỳ tế bào.

Tiến sỹ Moreno-Ramírez cho biết: “Dữ liệu của chúng tôi cho phép chúng tôi theo dõi những bước đầu tiên của quá trình biệt hóa khi tế bào gốc cam kết phát triển theo những hướng khác nhau. Hiểu rõ những quá trình chuyển đổi này là điều cần thiết nếu chúng ta muốn khám phá ra các mạng lưới điều chỉnh kiểm soát cấu trúc thực vật và sự hình thành các cơ quan”.

Bằng cách phân tích các gen được biểu hiện trong các vùng cụ thể, các nhà nghiên cứu đã xác định vai trò của các thành viên trong họ gen GH3, tham gia vào quá trình chuyển hóa auxin. Họ đã liên kết các gen này với hoạt động của mô phân sinh và vị trí của các cơ quan mới, được gọi là sự sắp xếp lá (phyllotaxis).

Sử dụng cây đột biến GH3, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự thay đổi trong mô hình tăng trưởng, xác nhận các dự đoán được tạo ra từ bộ dữ liệu snRNA-seq.

Dữ liệu này cung cấp một nguồn tài nguyên quý giá cho các nghiên cứu trong tương lai nhằm tìm hiểu cách tế bào gốc tạo ra các mô đa dạng định hình nên hình thái thực vật.

Tiến sỹ Moreno-Ramírez cho biết: “Điều này cung cấp cho chúng ta một khuôn khổ để xác định các mạng lưới gen điều khiển các quyết định về số phận tế bào trong mô phân sinh. Thử thách tiếp theo là hiểu cách các chương trình điều chỉnh này tương tác để kiểm soát sự tăng trưởng và đảm bảo rằng cây trồng liên tục sản xuất các cơ quan và các loại tế bào của chúng ở đúng vị trí vào đúng thời điểm”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.