Có lẽ bạn không nghĩ nhiều về rễ cây – xét cho cùng thì chúng ẩn dưới lòng đất. Tuy nhiên, chúng đang liên tục thay đổi hình dạng của thế giới . Quá trình này xảy ra trong khu vườn của bạn, nơi thực vật sử dụng các cơ chế vô hình để phát triển không ngừng.

Khoảng 15 năm trước, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các gen ở đầu rễ (hay chính xác hơn là mức độ protein được tạo ra từ một số gen) dường như đang dao động. Nó vẫn còn là một điều bí ẩn nhưng nghiên cứu gần đây đang mang lại cho chúng ta những hiểu biết mới.

Những gì chúng ta biết là sự dao động này là một cơ chế cơ bản làm nền tảng cho sự phát triển của rễ. Nếu chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình này, nó sẽ giúp nông dân và các nhà khoa học thiết kế hoặc lựa chọn những loại cây tốt nhất để phát triển ở các loại đất và khí hậu khác nhau. Với thời tiết ngày càng khắc nghiệt như hạn hán và lũ lụt, gây thiệt hại cho mùa màng trên khắp thế giới, điều quan trọng hơn bao giờ hết là phải hiểu cách thức thực vật phát triển.

Để thực sự hiểu thực vật phát triển như thế nào, bạn cần xem xét các quá trình xảy ra bên trong tế bào. Có rất nhiều phản ứng hóa học và những thay đổi trong hoạt động của gen diễn ra liên tục bên trong tế bào.

Một số phản ứng này xảy ra để đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài, chẳng hạn như sự thay đổi về ánh sáng, nhiệt độ hoặc lượng chất dinh dưỡng sẵn có. Nhưng nhiều loại là một phần trong chương trình phát triển của mỗi loài thực vật, được mã hóa trong gen của nó.

Nhiều người nghĩ thực vật là những loại rau xanh đẹp mắt. Cần thiết cho không khí sạch, vâng, nhưng những sinh vật đơn giản. Một bước thay đổi trong nghiên cứu đang làm thay đổi cách các nhà khoa học nghĩ về thực vật: chúng phức tạp hơn nhiều và giống chúng ta hơn bạn tưởng. Lĩnh vực khoa học đang nở rộ này quá thú vị để có thể diễn tả nó một cách công bằng trong một hoặc hai câu chuyện. Bài viết này là một phần của loạt bài Tìm hiểu thực vật, khám phá những nghiên cứu khoa học thách thức cách bạn nhìn nhận về đời sống thực vật.

Một số quá trình tế bào này có sự dao động đều đặn - một số họ phân tử xuất hiện và biến mất nhịp nhàng cứ sau vài giờ. Ví dụ nổi tiếng nhất là nhịp sinh học, đồng hồ sinh học bên trong thực vật và động vật (bao gồm cả con người).

Chu kỳ tự nhiên

Có rất nhiều ví dụ khác về dao động tự phát trong tự nhiên. Một số nhanh như nhịp tim và chu kỳ tế bào phân bào, đó là chu kỳ phân chia tế bào. Những cái khác, như chu kỳ hàng tháng và ngủ đông, diễn ra chậm.

Có những quá trình hóa học phức tạp diễn ra bên trong rễ cây đó. Zamrznuti tonovi/Shutterstock.

Thông thường, chúng có thể được giải thích bằng một vòng phản hồi tiêu cực tiềm ẩn. Đây là nơi một quá trình kích hoạt một loạt các sự kiện, sau đó ngăn chặn chính hoạt động mà nó đã kích hoạt. Điều này dường như đúng với nhịp tăng trưởng của rễ.

Ngay sau khi đã phát hiện ra sự dao động gen ở đầu rễ, các nhà khoa học nhận thấy sự dao động này để lại một dấu vết vô hình. Họ phát hiện ra điều này bằng cách sử dụng các điểm đánh dấu huỳnh quang có thể nhìn thấy được dưới kính hiển vi. Những vết này để lại ở những nơi rễ có thể mọc lệch sang một bên. Điều này có nghĩa là chúng cung cấp các tín hiệu thường xuyên dẫn đến việc bộ rễ hình thành.

Ngày nay, nguyên nhân của nó vẫn chưa được biết rõ, mặc dù các nhà khoa học đã loại trừ giả thuyết cho rằng nó có thể được điều khiển bởi dao động sinh học.

Chúng tôi biết có rất nhiều vòng phản hồi liên quan. Một loại hormone thực vật được gọi là auxin dường như rất quan trọng đối với quá trình này. Nó đánh thức một số gen mã hóa protein, chẳng hạn như những gen cần thiết cho sự tăng trưởng. Charles Darwin đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của auxin và cấu trúc hóa học của nó đã được xác nhận khoảng 100 năm trước.

Các gen dao động là “mục tiêu” auxin. Khi auxin xâm nhập vào tế bào, các gen mục tiêu này có xu hướng hoạt động mạnh hơn. Một số gen này có liên quan đến sự tăng trưởng nhưng không phải tất cả. Auxin kích hoạt việc loại bỏ các “chất ức chế”, các protein có thể ngăn chặn hoạt động của gen. Động vật cũng có chất ức chế trong tế bào của chúng.

Nhưng những chất ức chế này được kích hoạt bởi các gen mà chúng chặn lại. Có thể vòng phản hồi này kích hoạt các dao động mà chúng ta thấy, nhưng chúng ta không biết chắc chắn.

Chúng ta biết auxin di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác thông qua mạng lưới protein vận chuyển phức tạp. Cách thức protein di chuyển trực tiếp đến các bộ phận của tế bào phụ thuộc vào mức độ auxin xung quanh. Đây là một vòng phản hồi khác. Nhịp đập xảy ra ở rễ đang phát triển, nơi các tế bào ở đầu liên tục phân chia do chu kỳ tế bào (bao gồm các vòng phản hồi riêng biệt).

Thật là một câu hỏi hóc búa

Các nhà khoa học thường dựa vào toán học để giải thích mọi thứ. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hình học từ lịch sử cổ đại để nghiên cứu phần nhìn thấy được của thực vật. Một nhánh toán học được phát triển vào thế kỷ 19 có tên là Lý thuyết hệ thống động lực (DST), đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về lý do tại sao rễ cây lại dao động. Các nhà khoa học đã sử dụng các công cụ từ DST để thử và chỉ ra các mẫu auxin bị ảnh hưởng như thế nào bởi các đợt phân chia tế bào.

Nếu các vòng phân chia tế bào này được đồng bộ hóa tốt, thì về mặt lý thuyết, chúng ta có thể chứng minh rằng điều này sẽ tạo ra một xung auxin đều đặn.

Nhưng điều này không giải quyết được bí ẩn vì các tế bào thường không phân chia cùng một lúc và do đó, bất kỳ nhịp đập nào của auxin sẽ khá không đều.

Khi nhóm của tôi đã nhìn dưới kính hiển vi để tìm các dấu hiệu auxin huỳnh quang, chúng tôi đã nhận thấy sự thiếu đồng đều của auxin, ở những phần của rễ nơi các gen mục tiêu của nó dao động thường xuyên.

Điều này cho thấy sự dao động gen ở đầu rễ có thể liên quan đến sự phát triển của rễ nhưng không xảy ra cùng lúc với thời điểm tế bào gốc đang phân chia.

Mặc dù vẫn còn bí ẩn nhưng giờ đây chúng ta đã được trang bị tốt hơn để giải mã bí ẩn này. Câu trả lời có lẽ không nằm ở một quy trình đơn lẻ mà là kết quả của sự tương tác giữa các quy trình khác nhau. Chúng tôi biết những người chơi chính, nhưng luật chơi mà họ chơi vẫn chưa được khám phá.

Đỗ Thị Nhạn theo The Conversation.