Sự phát triển từ nụ đến cành

Chồi nách nằm ở gốc mỗi lá. Ban đầu ở trạng thái ngủ đông, mỗi chồi có thể phát triển thành một nhánh. Để nghiên cứu cách thức phân nhánh được điều chỉnh bởi tín hiệu cục bộ trong mỗi chồi và tín hiệu toàn thân từ các chồi khác, chúng tôi đã sử dụng các đoạn thân cây với hai chồi nách và các lá liên kết của chúng (trái). Mạng lưới tín hiệu này ảnh hưởng đến việc một chồi phát triển và nhanh chóng ức chế chồi kia (giữa), hay cả hai chồi phát triển đồng thời (phải).Nguồn: Zoe Nahas.

Các nhà khoa học đã chứng minh rằng hai chế độ điều hòa phân nhánh ở thực vật trước đây tách biệt có thể được kết nối với nhau, hé lộ bức tranh hoàn chỉnh nhất từ ​​trước đến nay về cách thực vật kiểm soát cấu trúc của chúng.

Được công bố trên tạp chí PLOS Biology, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU) đã chứng minh cách các tín hiệu cục bộ trong chồi cây liên kết với dòng hormone toàn cây để kiểm soát sự phân nhánh, có ý nghĩa đối với việc cải thiện cây trồng trong tương lai.

Ở gốc mỗi lá là một cụm tế bào gốc nhỏ, được gọi là mô phân sinh nách lá, có khả năng phát triển thành một nhánh mới. Việc những mô phân sinh này duy trì trạng thái ngủ đông hay bắt đầu phát triển phụ thuộc vào sự kết hợp của các tín hiệu môi trường, vốn quen thuộc với tất cả những người làm vườn giỏi, những người hiểu rằng phân bón và ánh sáng có thể ảnh hưởng đến độ rậm rạp của cây.

Người làm vườn cũng biết rằng họ có thể định hình cấu trúc chồi bằng cách cắt tỉa – loại bỏ các chồi phát triển mạnh để giải phóng các chồi ngủ ở gốc lá phía dưới chồi.

Các nhà nghiên cứu từ lâu đã quan tâm đến cách thức phối hợp của tất cả các tín hiệu này. Một trung tâm phối hợp là yếu tố phiên mã BRANCHED1 (BRC1), hoạt động cục bộ bên trong từng chồi để ức chế sự phát triển của chúng. Hoạt động của nó được điều chỉnh bởi các hormone truyền tín hiệu dinh dưỡng từ rễ, và bởi chất lượng ánh sáng tại chỗ.

Nghiên cứu mới này cho thấy BRC1 góp phần vào quá trình điều hòa phân nhánh chồi toàn thân bằng cách thay đổi quá trình xuất hormone thực vật auxin từ chồi vào thân chính.

Auxin trong thân chính đã được biết đến với khả năng điều hòa hoạt động của chồi trong gần một thế kỷ. Gần đây, điều này được cho là một phần nhờ khả năng ngăn chặn sự xuất khẩu auxin từ chồi, điều này dường như cần thiết cho sự phát triển của chúng.

Theo cách này, các chồi cạnh tranh hiệu quả để đưa auxin vào thân và điều này có thể giải thích tại sao việc loại bỏ các chồi đang hoạt động lại cho phép các chồi ngủ phát triển.

Nghiên cứu mới kết hợp mô hình toán học với phép đo sự phát triển của chồi, cung cấp bằng chứng cho thấy sự khác biệt cục bộ trong biểu hiện BRC1 giữa các chồi giúp xác định chồi nào có khả năng cạnh tranh cao hơn, trong khi đặc tính vận chuyển auxin toàn thân quyết định tổng số nhánh mà cây có thể duy trì.

Điều này tạo ra luồng thông tin xuyên suốt cây mà mỗi chồi sẽ diễn giải cục bộ, cho phép cây điều chỉnh thời điểm và vị trí hình thành cành.

Kết quả là một mô hình thống nhất giải thích cách thực vật điều chỉnh số lượng và vị trí của các nhánh để kết hợp sự cân bằng tổng thể của quá trình tăng trưởng trên toàn bộ chồi với các điều kiện môi trường như ánh sáng hoặc khả năng cung cấp chất dinh dưỡng.

Ví dụ, một nụ ở vị trí thuận lợi, chẳng hạn như trong điều kiện ánh sáng tốt hơn, có thể biểu hiện ít BRC1 hơn và do đó phát triển nhanh hơn, trong khi một nụ lân cận có biểu hiện BRC1 cao hơn có thể vẫn ở trạng thái ngủ đông. Đồng thời, sự điều hòa toàn thân thông qua vận chuyển auxin đảm bảo rằng tải lượng phân nhánh tổng thể được duy trì cân bằng trên toàn bộ cây.

Tiến sỹ Zoe Nahas, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Phát hiện quan trọng của chúng tôi là bằng cách điều chỉnh vận chuyển auxin, biểu hiện BRC1 cục bộ ở mỗi nụ có thể góp phần kiểm soát quá trình phân nhánh một cách toàn diện. 

“Điều đáng ngạc nhiên là một mô hình toán học rất đơn giản về sự tương tác giữa hai chồi, trong đó mỗi chồi được biểu diễn là thúc đẩy sự phát triển của chính nó và ức chế sự phát triển của chồi kia, có thể nắm bắt được rất nhiều hành vi phân nhánh mà chúng ta thực sự thấy trong phòng thí nghiệm”.

Các mẫu cấy ghép 2 nút nắm bắt các đặc tính quan trọng của quá trình điều hòa chồi (ban đầu được công bố trên Nahas et al, (2025) PLOS Biology).

(A) Một đoạn thân có hai chồi nách minh họa hai trung tâm điều hòa kiểm soát sự phân nhánh chồi (i) biểu hiện cục bộ của yếu tố phiên mã BRC1, một chất ức chế hoạt hóa chồi và (ii) điều hòa hệ thống của mạng lưới vận chuyển auxin. Một mô hình phân nhánh chồi dựa trên kênh dẫn giả định rằng sự hoạt hóa chồi đòi hỏi phải thiết lập vận chuyển auxin dạng kênh dẫn từ chồi vào thân chính, động lực của quá trình này bị ảnh hưởng bởi phản hồi tự xúc tác trong dòng auxin giữa chồi và thân và cường độ nguồn và điểm chứa auxin tương đối của chồi và thân. Mối quan hệ giữa điều hòa trung gian bởi vận chuyển BRC1 và auxin vẫn chưa được biết. (B) Sự hoạt hóa chồi của Arabidopsis xảy ra trong ít nhất hai giai đoạn: Giai đoạn trễ phát triển chậm, sau đó chuyển sang giai đoạn phát triển nhanh. Thang thời gian điển hình là 10–12 ngày. Được sửa đổi từ Nahas và cộng sự [46]. (C) Sơ đồ minh họa bốn kết quả sinh trưởng có thể xảy ra khi kích hoạt chồi trên mẫu cấy 2 đốt, và cách thể hiện chúng trên biểu đồ Mitchison. Biểu đồ Mitchison thể hiện chiều dài của chồi trên so với chồi dưới theo thời gian ở mỗi mẫu cấy. Mẫu cấy có ít nhất một chồi phát triển được gọi là hoạt động, nếu không, chúng được gọi là bất hoạt. Trong mẫu cấy hoạt động, có ba kết quả có thể xảy ra: Cả hai chồi đều phát triển, hoặc chỉ chồi trên hoặc chồi dưới được kích hoạt. Tất cả hình ảnh được vẽ tay bằng Adobe Illustrator của Zoe Nahas.

Mô hình này không chỉ dự đoán kết quả thử nghiệm trong các điều kiện di truyền và nội tiết tố khác nhau mà còn có thể chứa dữ liệu về một vùng chưa từng được biết đến trước đây của chất vận chuyển auxin PIN1, đóng vai trò trung gian phản ứng của nó với hormone strigolactone, cung cấp cái nhìn sâu sắc mới về mặt phân tử về cách hormone ảnh hưởng đến sự phát triển của chồi.

Hiểu biết cơ bản mới này về cách các tín hiệu cục bộ và hệ thống được tích hợp trong quá trình phân nhánh của cây có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các chiến lược mới để tối ưu hóa năng suất cây trồng, khả năng phục hồi và việc sử dụng tài nguyên.

Giáo sư Ottoline Leyser, đồng chủ nhiệm nhóm nghiên cứu, cho biết: "Thực vật có khả năng sinh trưởng cực kỳ linh hoạt, và sự phân nhánh là một phần quan trọng của khả năng thích nghi này. Mô hình thống nhất mà chúng tôi phát triển sẽ giúp chúng tôi hiểu cách thực vật tích hợp nhiều nguồn thông tin để xác định nơi cần tập trung tăng trưởng".

Giáo sư James Locke, đồng chủ nhiệm nghiên cứu, cho biết thêm: “Nghiên cứu này kết hợp các thí nghiệm và mô hình hóa để chứng minh cách các tín hiệu cục bộ và hệ thống có thể tương tác để kiểm soát sự phát triển của chồi. Điều đáng chú ý là một mô hình đơn giản như vậy có thể nắm bắt được phạm vi hành vi phân nhánh mà chúng ta thấy trong thực nghiệm”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.