Việc kiểm soát ở vị trí tác động của gibberellin giúp làm sáng tỏ cách thức hormone thực vật điều phối sự phát triển của rễ

Hệ thống tổng hợp GID1 biến đổi (mGID1) kết hợp với GA tổng hợp (sGA) cho phép kích hoạt tín hiệu GA theo cách kiểm soát được vị trí trong rễ cây Arabidopsis. Hình ảnh minh họa quá trình sinh tổng hợp GA, sự di chuyển dự kiến ​​của GA4, cùng cơ chế tín hiệu GA phối hợp giữa lớp nội bì và lớp biểu bì – quá trình thúc đẩy sự kéo dài của rễ. (Issey Takahashi, RIKEN).

Các hormone thực vật ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển bằng cách tác động lên những tế bào và mô cụ thể. Tuy nhiên, việc xác định chính xác thời điểm và vị trí cần thiết để một hormone phát huy tác dụng là một thách thức, bởi các phương pháp xử lý hormone thông thường thường kích hoạt tín hiệu trên toàn bộ cơ thể thực vật.

Gibberellin (GA) là một hormone thực vật quan trọng, có vai trò thúc đẩy quá trình phân chia và kéo dài tế bào, đồng thời tham gia vào sự phát triển của rễ và chồi. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng tín hiệu GA tại nội bì (endodermis), một lớp tế bào bên trong rễ – đóng vai trò quan trọng đối với sự kéo dài của rễ. Dù vậy, cơ chế tín hiệu GA tại các lớp tế bào rễ khác nhau đóng góp như thế nào vào sự sinh trưởng, cũng như cách các tín hiệu này được phối hợp giữa các mô, vẫn còn là một câu hỏi chưa có lời giải đáp rõ ràng.

Để tìm hiểu vấn đề này, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Masayoshi Nakamura từ Đại học Saitama và nghiên cứu sinh Yuichiro Yagami từ Đại học Nagoya dẫn đầu, phối hợp cùng các nhà khoa học tại RIKEN và Đại học Heinrich Heine Düsseldorf (HHU Düsseldorf), đã phát triển một hệ thống tổng hợp cho phép kiểm soát thời điểm và vị trí mà hormone thực vật gibberellin (GA) kích hoạt con đường tín hiệu của nó.

Nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Nature Plants với tiêu đề: "Kích hoạt tổng hợp tín hiệu gibberellin làm sáng tỏ sự phối hợp không gian trong quá trình sinh trưởng của rễ" (Synthetic activation of gibberellin signalling reveals spatial coordination of root growth).

Nhắm mục tiêu vào tín hiệu GA tại các tế bào cụ thể

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống nhân tạo kết hợp giữa một loại GA tổng hợp (sGA) – vốn không được các thụ thể GA nội sinh nhận diện – với một thụ thể GA đã được biến đổi (mGID1) có khả năng nhận diện đặc hiệu sGA.

Bằng cách biểu hiện mGID1 tại các lớp tế bào cụ thể trong rễ cây Arabidopsis thaliana (cây cải xoong Nhật Bản) và bổ sung sGA, các nhà nghiên cứu có thể kích hoạt tín hiệu GA một cách chọn lọc tại những tế bào có chứa mGID1. Do có thể kiểm soát cả thời điểm bổ sung sGA, hệ thống này cho phép điều khiển tín hiệu GA theo cả không gian và thời gian.

Sự sinh trưởng của rễ phụ thuộc vào hai lớp tế bào

Sử dụng hệ thống này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sự kéo dài của rễ đòi hỏi sự phối hợp tín hiệu GA tại hai lớp tế bào riêng biệt: nội bì (endodermis) và biểu bì (epidermis). Việc kích hoạt tín hiệu GA tại một trong hai lớp này đều thúc đẩy sự kéo dài của rễ, trong khi kích hoạt tại lớp vỏ (cortex) lại không mang lại hiệu quả tương tự. Khi tín hiệu GA được kích hoạt đồng thời ở cả nội bì và biểu bì, rễ cây kéo dài mạnh mẽ hơn so với trường hợp chỉ kích hoạt tại một trong hai lớp đó.

Các nhà nghiên cứu cũng tiến hành khảo sát sự phân bố không gian của các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp GA. Các vị trí phát hiện hoạt tính sinh tổng hợp GA không phải lúc nào cũng trùng khớp với các lớp tế bào mà tại đó tín hiệu GA thúc đẩy sự phát triển của rễ.

Cụ thể, một enzyme sinh tổng hợp GA được tìm thấy ở lớp vỏ (cortex), trong khi tín hiệu GA ở lớp biểu bì lại thúc đẩy sự kéo dài của rễ, mặc dù không phát hiện thấy enzyme sinh tổng hợp GA nào tại lớp này. Những phát hiện này cho thấy GA có hoạt tính sinh học có thể di chuyển giữa các tế bào, từ nơi tổng hợp đến những vị trí mà tín hiệu GA thúc đẩy sự tăng trưởng.

Hướng tới kiểm soát sự phát triển của thực vật theo từng mô cụ thể

Hệ thống sGA-mGID1 mới cung cấp một phương thức để điều khiển tín hiệu hormone thực vật với khả năng kiểm soát cả về không gian lẫn thời gian. Hệ thống này không chỉ cho phép xác định xem một loại hormone có cần thiết cho một quá trình sinh học hay không, mà còn làm rõ thời điểm và vị trí cụ thể mà tín hiệu của hormone đó cần diễn ra.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự phát triển của rễ được điều phối thông qua tín hiệu GA trên các mô rễ khác nhau, thay vì chỉ được kiểm soát bởi một lớp tế bào duy nhất. Ở phạm vi rộng hơn, phương pháp này cung cấp một khuôn khổ thực nghiệm mới để nghiên cứu cách thức các hormone thực vật tác động xuyên suốt các mô, cũng như cách thức tín hiệu hormone được phối hợp theo không gian để kiểm soát sự tăng trưởng và phát triển của thực vật.

Trong tương lai, những phương pháp như vậy có thể góp phần xây dựng các chiến lược kiểm soát sự phát triển của thực vật theo từng mô hoặc cơ quan cụ thể, mở ra tiềm năng ứng dụng trong việc cải thiện cây trồng và nâng cao hiệu quả canh tác.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys,org