Sự đa dạng của các dạng sinh vật sống là cực lớn. Nhưng làm thế nào các tế bào riêng lẻ phối hợp với nhau để hình thành các cơ quan và mô trong các sinh vật phức tạp vẫn là một câu hỏi mở. Các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu giống cây trồng Max Planck ở Cologne, Đức, đã phát hiện ra một cơ chế di truyền làm thay đổi hướng phát triển của tế bào thực vật trong quá trình phát triển của lá và từ đó xác định hình dạng của lá.

Mặt trên: một nửa lá của cây Arabidopsis đang phát triển. Dưới: Lá của cây Arabidopsis đang phát triển biểu hiện gen CUP-SHAPED COTYLEDON1 (CUC1) từ Cardamine hirsuta kết hợp với protein huỳnh quang (màu tím). Sự biểu hiện của CUC1 tạo ra sự phát triển sâu hơn.

Miltos Tsiantis và nhóm của ông từ Viện nghiên cứu giống cây trồng Max Planck muốn tìm hiểu các dạng sinh học phát triển và cơ sở của sự đa dạng đó. Các nhà nghiên cứu đang sử dụng cây cải xoong (Arabidopsis thaliana), vì bộ gen và sự phát triển của loài thực vật nhỏ này đã được nghiên cứu sâu trong nhiều năm. Bằng cách so sánh nó với họ hàng gần của nó, cây Cardamine hirsuta, có lá hình thành từ các phiến tầng riêng lẻ thay vì lá hình thìa đơn giản của cây Arabidopsis, các nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu xem các hình dạng lá khác nhau phát triển như thế nào.

Sự phát triển của lá được điều khiển bởi hormone auxin: lá, tầng lá hoặc hoa phát triển ở những vùng có nồng độ auxin cao. Nơi tích lũy hormone được xác định bởi hoạt động của protein PIN1, protein vận chuyển auxin ra khỏi tế bào. Ví dụ, các bộ vận chuyển PIN1 không được phân bố đều trên bề mặt của ô, nhưng có thể tập trung ở phía trên hoặc phía dưới. Sự bất đối xứng này quyết định nơi hoạt động của auxin. Sự phân bố PIN1 cũng có thể được thay đổi để tạo ra mô hình tăng trưởng bật/tắt, ví dụ như trong việc sắp xếp các lá dọc theo thân cây. Khả năng điều phối sự phát triển của thực vật của PIN1 và auxin đã được biết đến từ lâu. Tsiantis giải thích: “Tuy nhiên, chúng tôi biết rất ít về cách kiểm soát sự phân bố khác nhau của chất vận chuyển PIN1 và cách kích hoạt các mô hình tăng trưởng khác nhau trong tế bào, từ đó xác định hình dạng của chiếc lá”.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi tiên tiến để quan sát từng tế bào ở thực vật và tạo ra các hình ảnh tua nhanh về sự phát triển của lá, cho phép họ đo lường sự phát triển của từng tế bào trên bề mặt lá. Bằng cách sử dụng protein huỳnh quang gắn thẻ các sản phẩm của gen mà họ quan tâm, họ cũng có thể quan sát gen nào đang hoạt động, khi nào và ở đâu trong tế bào. Hợp tác với Adam Runions từ Đại học Calgary, các nhà nghiên cứu sau đó sử dụng dữ liệu sinh học này để tạo ra các mô hình trên máy tính cho phép họ mô phỏng các tương tác di truyền để cuối cùng kiểm soát các mô hình phát triển ở lá.

Công tắc di truyền kiểm soát nơi auxin sẽ tích lũy

Trong quá trình nghiên cứu hai loại cây mẫu, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một công tắc di truyền liên quan đến gen có tên CUC1. Khi được kích hoạt, công tắc này có thể ảnh hưởng đến vị trí trong tế bào mà chất vận chuyển PIN1 và sau đó là hormone tăng trưởng auxin sẽ tích tụ. CUC1 không hoạt động trong lá đơn giản của cây Arabidopsis. Tuy nhiên, ở cây Cardamine hirsuta, CUC1 dẫn đến sự hình thành lá dạng tầng. Các nhà nghiên cứu Ziliang Hu và David Wilson-Sánchez, tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Chúng tôi phát hiện ra rằng công tắc phụ thuộc vào CUC1 này hướng dẫn sự phát triển của tế bào diễn ra theo một mô hình cụ thể, trong cây Cardamine hirsuta cho phép hình dạng lá phức tạp của nó phát triển. Khi chúng tôi kích hoạt CUC1 ở cây Arabidopsis thaliana, nó cũng hình thành những chiếc lá phức tạp hơn”.

Các thí nghiệm của họ không chỉ giúp giải thích các loại lá khác nhau của các loài thực vật được nghiên cứu mà còn chứng minh công thức chuyển đổi gen có thể ảnh hưởng đến sự phân cực và sự phát triển của từng tế bào một cách phối hợp, từ đó dẫn đến hình thành các dạng hình khác nhau. Tsiantis cho biết: “Với công trình này, bây giờ chúng tôi có thể tranh luận rõ ràng hơn nhiều về các cơ chế cơ bản hoạt động trong tế bào để tạo ra các dạng thực vật và sự đa dạng của chúng”.

Lê Thị Kim Loan theo Viện Max Planck.