Những tiến bộ trong công nghệ cảm biến sinh học hiện nay cho phép chúng ta quan sát các hormone thực vật trước đây không thể phát hiện được, điều phối quá trình tăng trưởng và phản ứng với các kích thích từ môi trường theo thời gian thực ở thực vật sống.

Nghiên cứu mới từ nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge đứng sau công nghệ này giải thích cách hormone thực vật gibberellin (GA) tương tác với các tín hiệu khác để tạo ra những thay đổi trong quá trình phát triển thân cây và đã tiết lộ các kiểu hormone ẩn trước đây được kích hoạt trong quá trình chuyển đổi từ tối sang sáng.

Hormone thực vật hỗ trợ mọi khía cạnh phát triển của thực vật, giúp thực vật thích nghi linh hoạt với môi trường thay đổi.

Khả năng đáng chú ý này của thực vật trong việc thay đổi sự tăng trưởng và phát triển để đáp ứng với các kích thích môi trường khác nhau được gọi là tính linh hoạt của thực vật. Hiểu được tính linh hoạt của thực vật và cách thực vật thích nghi để tồn tại và tối ưu hóa sự tăng trưởng của chúng là rất quan trọng để cung cấp thông tin cho các hoạt động nông nghiệp và cải thiện khả năng phục hồi của cây trồng trong môi trường thay đổi.

GA là một loại hormone tăng trưởng thực vật đóng vai trò thiết yếu ngay từ khi cây bắt đầu phát triển. Ngay sau khi nảy mầm trong bóng tối, GA kích thích sự kéo dài nhanh chóng của hypocotyl (thân của cây con đang nảy mầm), giúp cây con nhanh chóng nhô ra khỏi đất và tiếp cận ánh sáng mặt trời.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Plant Cell, nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Alexander Jones tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU) đã chỉ ra rằng không chỉ đơn thuần là mức GA mà còn là tín hiệu phức tạp để tạo ra các gradient GA cần thiết để thực vật kiểm soát sự phát triển và phản ứng với môi trường của chúng.

Sự phức tạp lớn trong thực vật loại nhỏ

Khi nghiên cứu giai đoạn phát triển ban đầu của cây con Arabidopsis thaliana, nhóm nghiên cứu đã phát hiện một tín hiệu phức tạp diễn ra trong quá trình sinh trưởng và phát triển ngay cả ở một loại cây nhỏ.

Sử dụng cảm biến sinh học GA có độ nhạy cao gọi là Cảm biến nhận thức Gibberellin 1 (GPS1), được thiết kế đầu tiên tại phòng thí nghiệm của Wolf Frommer tại Viện Khoa học Carnegie và sau đó tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU), nhóm Jones trước đây đã theo dõi và định lượng những thay đổi về mức GA ở cấp độ tế bào đơn lẻ trong các vùng khác nhau của cây con phát triển nhanh, bao gồm cả vùng rễ.

Nghiên cứu mới nhất của họ tập trung vào trụ dưới lá mầm và tín hiệu kiểm soát sự phát triển nhanh chóng và sự bung ra của móc đỉnh.

“Trong bóng tối, mức gibberellin thường cao hơn và bạn có thể thấy rằng các tế bào dài hơn có nhiều GA hơn các tế bào nhỏ hơn, với một số trường hợp ngoại lệ”, ông nói.

“Có một mối tương quan tích cực giữa GA và chiều dài tế bào khi được quan sát thấy bởi cảm biến sinh học, nhưng khi chúng ta bổ sung thêm GA, chúng ta không thấy sự tăng thêm về chiều dài tế bào. Điều này chỉ ra rằng hướng GA mà chúng ta thấy trong trụ dưới lá mần là cần thiết cho sự kéo dài tế bào, nhưng chưa đủ.

“Trong quá trình khảo sát kỹ hơn, chúng tôi xác định rằng GA20ox1 là enzyme giới hạn tốc độ thiết lập mức GA của tế bào trụ dưới lá mầm và đảm nhận nhiệm vụ tạo ra gradient GA mà chúng ta thấy trong điều kiện tối. Chúng tôi thấy rằng enzyme này được kiểm soát chặt chẽ bởi COP1, một chất điều hòa quan trọng lập trình sự phát triển trong điều kiện tối và COP1 rất quan trọng đối với gradient GA trong tối”.

Điều này chỉ ra rằng tín hiệu tối của thực vật đang thúc đẩy GA trong các tế bào chuyên biệt và GA lại thúc đẩy tín hiệu tối và sự phát triển nhanh chóng của tế bào.

Tuy nhiên cây trồng thay đổi mô hình tăng trưởng một cách năng động như thế nào?

Hãy để có ánh sáng

Khi tiếp xúc với ánh sáng, mô hình sinh trưởng nhanh của trụ dưới lá mầm sẽ thay đổi, phát triển thân cây ngắn hơn, cứng cáp hơn để hỗ trợ quá trình hình thành cành và lá.

Để xem điều gì đang xảy ra với GA trong quá trình chuyển đổi từ tối sang sáng, cần có một cảm biến sinh học mới vì GPS1 không thể đảo ngược và không thể ghi lại nồng độ GA giảm dần.

Một cảm biến sinh học có thể đảo ngược mới, GIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2), với các khả năng nâng cao đã được nhóm Jones thiết kế. Tiến sỹ Jones cho biết: "GPS2 đã tiết lộ một mô hình trước đây bị ẩn về sự suy giảm GA trong quá trình chuyển đổi tăng trưởng do ánh sáng, giải thích những thay đổi mà chúng ta thấy trong quá trình tăng trưởng trụ dưới lá mầm. Cảm biến sinh học mới này cung cấp những hiểu biết có giá trị về cách phân phối GA kết nối các điều kiện môi trường với hình thái và tính uyển chuyển của thực vật. Chúng tôi hình dung ra những hiểu biết mới quan trọng sẽ đến từ khả năng đạt được độ phân giải cấp độ tế bào của động lực GA trong quá trình phát triển của thực vật và hiểu được động lực tế bào cơ bản trong các giai đoạn phát triển khác như nảy chồi, phân nhánh và ra hoa".

Lợi ích của việc hiểu gibberellin

Mặc dù lúc đó họ không biết, nhưng các loại cây trồng bán lùn năng suất cao được chọn trong cuộc Cách mạng Xanh những năm 1960 mang gen làm giảm quá trình tổng hợp GA hoặc làm cho cây ít phản ứng với GA hơn. Nhưng việc giảm GA trên diện rộng lại ảnh hưởng tiêu cực đến các đặc điểm khác.

Trong thế giới lý tưởng, chúng ta muốn có thể kiểm soát mức GA ở các bộ phận cụ thể của cây để tạo ra các đặc điểm mong muốn – GA thấp hơn cho thân cây ngắn hơn và GA cao hơn cho hạt to hơn và sử dụng phân đạm hiệu quả hơn.

Tiến sỹ Jones nói thêm: “Hiểu được các cơ chế đằng sau quá trình kiểm soát phát triển của thực vật có thể giúp chúng ta hỗ trợ thực vật đưa ra quyết định tăng trưởng thông minh phù hợp với môi trường của chúng hoặc môi trường đồng ruộng mà bạn đưa chúng vào. Khi nào thì phát triển, phát triển bao nhiêu và phát triển ở đâu. Những câu hỏi này thường dựa trên tế bào hoặc thậm chí là dưới tế bào và bằng cách dự đoán hormone ở quy mô nhỏ hơn nhiều, chúng ta có thể nhắm mục tiêu vào các kiểu hình mà chúng ta muốn và tránh các tác động ngoài mục tiêu”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.