Quy trình mới giúp các nhà khoa học kiểm soát chính xác sự hình thành nốt sần ở rễ cây

Hình ảnh các lát cắt quang học của mầm nốt sần rễ cây Medicago truncatula được đánh dấu bằng EdU sau 7 ngày cấy nhiễm, được chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang quét laser (confocal microscope). Nguồn: Ella Greensmith.

Bước đột phá trong nghiên cứu giúp các nhà khoa học kiểm soát chính xác sự phát triển của nốt sần rễ

Một nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Katharina Schiessl dẫn dắt đã phát triển một quy trình nghiên cứu hoàn toàn mới, cho phép các nhà khoa học chủ động kích hoạt và hình dung các giai đoạn sớm nhất của quá trình hình thành nốt sần rễ cộng sinh với độ chính xác chưa từng có ở cây họ đậu mẫu Medicago truncatula.

Quy trình này đã được công bố trên tạp chí STAR Protocols, do tiến sỹ Schiessl và các thành viên phòng thí nghiệm Georgina Wickens và Ella Greensmith phát triển, điểm nổi bật là phương pháp kết hợp giữa việc cấy nhiễm vi khuẩn cố định đạm một cách có kiểm soát với kỹ thuật chụp ảnh mô sâu với độ phân giải cao, cho phép các nhà nghiên cứu xác định chính xác vị trí và thời điểm hình thành các nốt sần dọc theo rễ cây.

Nhờ độ chính xác cao về không gian và thời gian này mở ra khả năng phân tích chi tiết cách tế bào phân chia và phát triển kích thước ngay từ những bước đầu của quá trình hình thành cơ quan nốt sần.

Nốt sần hình thành chính xác và đồng loạt

Các nốt sần cộng sinh ở rễ hình thành khi vi khuẩn đất được gọi là rhizobia xâm nhiễm vào rễ cây họ đậu và thiết lập mối quan hệ cộng sinh, giúp cây cố định nitơ từ không khí. Tuy nhiên, việc nghiên cứu các tế bào mới nhất của quá trình này theo cách truyền thống gặp nhiều khó khăn vì các nốt sần có thể xuất hiện ở các vị trí và thời điểm khác nhau dọc theo rễ cây.

Quy trình mới đã khắc phục được hạn chế này. Bằng cách đánh dấu trước một vùng cụ thể trên rễ và nhỏ chính xác một giọt dung dịch chứa vi khuẩn rhizobia, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các nốt sần tại vị trí dự đoán trước.

Kết quả cho thấy, ít nhất 75% nốt sần hình thành gần vị trí cấy nhiễm đã được đánh dấu trong vòng 7 ngày ở các dòng lai A17/Jemalong và R108 kiểu hoang dã. Trong điều kiện tối ưu, hiệu quả có thể đạt 100% ở cây con A17/Jemalong.

Khả năng tái tạo này cho phép các nhà khoa học thu hoạch mô rễ đồng nhất được làm giàu cho quá trình hình thành nốt sần sớm – điều này lý tưởng cho các phân tích tiếp theo về gen học, sinh hóa và sinh học tế bào.

Cấy nhiễm vi khuẩn nốt sần Sinorhizobium meliloti lên cây con Medicago truncatula. (A) Sơ đồ đầu rễ Medicago với các vùng chức năng. (B) Cấy nhiễm. Chúng ta đánh dấu vùng nhạy cảm và nhỏ một giọt vi khuẩn lên rễ gần vị trí đã đánh dấu. Thanh tỷ lệ = 1mm. (C) Sự phát triển của nốt sần. Một nốt sần sẽ xuất hiện tại vị trí nhỏ giọt sau 7 ngày cấy. Thanh tỷ lệ = 1mm.

Chụp ảnh mô sâu mà không cần chất chỉ thị di truyền

Một cải tiến quan trọng của quy trình này là phương pháp chụp ảnh mô sâu, không yêu cầu các dòng chỉ thị huỳnh quang được mã hóa di truyền.

Nhóm nghiên cứu đã điều chỉnh một kỹ thuật đánh dấu DNA bằng EdU kết hợp với thuốc nhuộm huỳnh quang Alexa Flour 488-azide, vốn ban đầu được phát triển để nghiên cứu hoạt động chu kỳ tế bào trong mô phân sinh đỉnh chồi Arabidopsis thaliana, nhằm hình dung quá trình sao chép DNA và hình dạng tế bào trong các nốt sần đang phát triển.

Quy trình bao gồm:

• Chuẩn bị vi khuẩn cố định đạm và cây con để cấy nhiễm

• Đánh dấu vùng rễ và nhỏ giọt chính xác dung dịch vi khuẩn

• Ủ cây trong môi trường EdU để đánh dấu quá trình sao chép DNA

• Cố định mẫu và đánh dấu DNA đã sao chép

• Làm trong mô và nhuộm thành tế bào

• Chụp ảnh hiển vi confocal độ phân giải cao

Điều này cho phép lập bản đồ trực tiếp hoạt động tăng sinh và lớn lên của tế bào trong các nốt sần đang phát triển và các mô rễ khác mà không gặp phải các rào cản về thời gian và kỹ thuật liên quan đến việc tạo ra các dòng chuyển gen mang gen “thông báo” (reporter gene).

Khả năng ứng dụng rộng rãi cho nhiều loài cây

Vì phương pháp chụp ảnh không dựa vào chất chỉ thị huỳnh quang, nên quy trình này dễ dàng áp dụng cho nhiều loài cây họ đậu và cả cây không thuộc họ đậu khác, kể cả những loài khó biến đổi gen hoặc việc đưa các dòng chỉ thị vào thông qua lai tạo không khả thi.

Bằng cách tích hợp phương pháp gây hình thành nốt sần có thể tái tạo với hình ảnh mô sâu về hoạt động chu kỳ tế bào và hình dạng tế bào, phương pháp này cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho các nghiên cứu hiện đại như phân tích biểu hiện gen ở cấp độ tế bào đơn và ở cấp độ không gian trong giai đoạn phát triển nốt sần sớm.

Một nguồn tài liệu thực tiễn hữu ích cho cộng đồng nghiên cứu

Ngoài phương pháp cốt lõi, quy trình còn bao gồm hướng dẫn khắc phục sự cố chi tiết, giúp các phòng thí nghiệm áp dụng kỹ thuật này dễ dàng tiếp cận và tái lập kết quả.

Nhìn chung, phương pháp này mang lại những hiểu biết mới quan trọng về cơ chế tế bào và phân tử làm nền tảng cho sự hình thành sớm nốt sần cộng sinh, đồng thời trang bị cho các nghiên cứu một công cụ nhanh chóng, hiệu quả và dễ thích ứng để khám phá cách thực vật tạo ra các nốt sần cố định đạm.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.