Nghiên cứu gần đây về Lotus japonicus, một loại cây họ đậu mẫu, đã tiết lộ rằng sự tương tác giữa rễ cây họ đậu và rhizobia được đặc trưng bởi sự biểu hiện gen định kỳ với nhịp độ 6 giờ. Sự biểu hiện gen nhịp nhàng này ảnh hưởng đến các vùng rễ dễ bị nhiễm rhizobium và sự phân bố của các nốt sần. Người ta cũng phát hiện ra rằng hormone thực vật cytokinin rất quan trọng để duy trì nhịp điệu biểu hiện gen này.

Khi rhizobia lây nhiễm vào rễ cây họ đậu, các tế bào biểu bì rễ hình thành các sợi lây nhiễm, các cấu trúc giống như ống màng dẫn vi khuẩn đến mô rễ bên trong nơi chúng có thể cố định nitơ. Nhiễm rhizobium chủ yếu xảy ra ở vùng rễ hẹp ngay phía sau chóp rễ, được gọi là vùng nhạy cảm. Việc tạo ra tế bào liên tục ở chóp rễ liên tục tạo ra những vùng nhạy cảm mới. Lý tưởng nhất là các sợi lây nhiễm sẽ được phân bố đều khắp gốc. Tuy nhiên, kiểm tra kỹ hơn cho thấy mô hình các sợi nhiễm trùng được hình thành dày đặc xen kẽ với các vùng thưa thớt hơn, cho thấy phản ứng không liên tục thay vì liên tục đối với rhizobia. Các nghiên cứu chi tiết về phản ứng năng động của rễ đối với rhizobia theo thời gian vẫn còn thiếu.

Sử dụng hình ảnh phát quang trực tiếp với luciferase, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy biểu hiện gen NSP1, được tạo ra nhanh chóng để đáp ứng với rhizobia và cần thiết cho quá trình lây nhiễm, biểu hiện các kiểu dao động trong khoảng thời gian khoảng sáu giờ ở vùng nhạy cảm. Khi rễ phát triển, các vị trí biểu hiện mới xuất hiện ở đỉnh so với các vùng dao động trước đó.

Tiến sĩ Takashi Soyano, Phó giáo sư của Viện Quốc gia, cho biết: “Chúng tôi nhận thấy rằng các vùng dao động này trùng với các khu vực nơi các sợi lây nhiễm được hình thành dày đặc, khiến chúng tôi nghĩ rằng sự biểu hiện gen nhịp nhàng này có thể liên quan đến việc xác định vị trí hình thành nốt sần”. Phù hợp với quan niệm này, một lượng lớn nốt sần ở rễ đã được hình thành trong vùng dao động, cho thấy mối liên hệ giữa biểu hiện gen nhịp nhàng và sự hình thành nốt sần. Các gen khác cần thiết cho các phản ứng sớm trong quá trình cộng sinh nốt sần cũng thể hiện các kiểu biểu hiện dao động, đánh dấu bằng chứng đầu tiên về biểu hiện gen định kỳ để đáp ứng với rhizobia.

Cytokinin, chất điều hòa quan trọng trong sự cộng sinh nốt sần ở rễ, duy trì biểu hiện gen dao động này. Các gen liên quan đến sinh tổng hợp, chuyển hóa và truyền tín hiệu cytokinin biểu hiện dao động sau khi cấy rhizobium. Hình ảnh phát quang sử dụng chất đánh dấu phản ứng cytokinin TCSn cho thấy các phản ứng cytokinin dao động, phù hợp với thời gian dao động hàm lượng cytokinin.

Nghiên cứu sử dụng các đột biến của thụ thể cytokinin LHK1 để khám phá vai trò của cytokinin trong tính chu kỳ biểu hiện gen. Ở các đột biến thiếu chức năng LHK1, các khoảng dao động của biểu thức NSP1 tuần hoàn bị kéo dài, mở rộng vùng gốc nơi biểu hiện NSP1 dao động. Ngược lại, ở thực vật được biến đổi gen với dạng LHK1 được kích hoạt, việc cảm ứng biểu hiện NSP1 bị ức chế, dẫn đến mất tính tuần hoàn của nó. Vùng dao động NSP1 trùng với vùng hình thành các luồng lây nhiễm dày đặc. Các thể đột biến mất chức năng lhk1 biểu hiện các đoạn rễ mở rộng tạo thành các sợi lây nhiễm dày đặc, trong khi LHK1 hoạt động làm giảm mật độ các sợi lây nhiễm. Những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của phản ứng cytokinin thích hợp trong việc duy trì dao động cộng sinh và đảm bảo phân phối sợi lây nhiễm thích hợp.

Sự cộng sinh nốt sần ở rễ xảy ra trong nhánh cố định đạm đơn ngành, bao gồm bốn bộ Fabales, Rosales, Cucurbitales và Fagales, cho thấy sự tiếp thu tiến hóa chung để tương tác với vi khuẩn cố định đạm. Trong số đó, họ đậu thuộc bộ Fabales, nơi hầu hết các loài tham gia vào quá trình cộng sinh nốt sần ở rễ, đã kết hợp độc đáo con đường cytokinin như một mô-đun điều hòa quan trọng cho sự cộng sinh.

Tiến sĩ Soyano cho biết: “Việc phát hiện ra các phản ứng cytokinin định kỳ là điều bất ngờ, đặt ra một số câu hỏi, bao gồm các cơ chế phân tử thiết lập tính tuần hoàn này và cách các phản ứng định kỳ này hình thành nên các vùng nhiễm trùng”. Việc giải quyết những câu hỏi này dự kiến ​​sẽ giúp hiểu sâu hơn về cơ chế điều hòa của sự cộng sinh nốt sần ở rễ và thúc đẩy nghiên cứu về kiểm soát không gian của sự phát triển cơ quan thông qua các phản ứng định kỳ qua trung gian của hormone thực vật.