Sự thay đổi hình dạng của đỉnh chồi đồng bộ với quá trình ra hoa ở Arabidopsis

   Sự thay đổi hình dạng của đỉnh chồi đồng bộ với quá trình ra hoa ở Arabidopsis

Khi cây bắt đầu ra hoa, đỉnh chồi mở rộng và trải qua quá trình tái lập trình di truyền. Tuy nhiên, cách mà những thay đổi về hình dạng đỉnh chồi được đồng điều chỉnh với quá trình chuyển đổi ra hoa vẫn chưa được biết rõ. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, các nhà nghiên cứu từ nhóm của George Coupland tại Viện Nghiên cứu Lai tạo Cây trồng Max-Planck ở Cologne, Đức, đã chỉ ra rằng sự ức chế lẫn nhau của hai gen tại đỉnh cây đồng bộ hóa sự thay đổi hình dạng của mô phân sinh với quá trình chuyển đổi ra hoa ở cây mô hình Arabidopsis thaliana.

 

Cây cải xoong (Arabidopsis thaliana) chuyển từ giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng sang ra hoa khi tiếp xúc với những ngày dài của mùa xuân và mùa hè. Đáp lại tín hiệu môi trường này, mô tại đỉnh chồi, được gọi là mô phân sinh đỉnh chồi (SAM), trải qua quá trình tái lập trình di truyền để tạo ra hoa thay vì lá. Đồng thời, SAM tăng kích thước và kéo dài để tạo thành hình vòm đặc trưng. Hiện vẫn chưa rõ cách mà sự thay đổi hình dạng của SAM xảy ra trong quá trình chuyển đổi ra hoa; do đó, các tác giả đã nghiên cứu chi tiết cách tổ chức nội bộ của SAM thay đổi trong quá trình này. SAM chứa hai miền phụ chính và kích thước của nó được điều chỉnh bởi sự tương tác giữa các protein được biểu hiện đặc trưng trong các vùng này. Các tác giả đã sử dụng hai dấu hiệu báo cáo huỳnh quang đặc trưng cho hai miền này và hình ảnh hóa sự biểu hiện của chúng theo thời gian khi cây bắt đầu ra hoa. Một quy trình tính toán định lượng cường độ của các protein huỳnh quang này trong các nhóm tế bào so với đỉnh chồi đã cho thấy chính xác cách mà sự gia tăng chiều rộng và chiều cao tổng thể của SAM trong quá trình chuyển đổi ra hoa tương quan với sự thay đổi kích thước của các miền nội bộ. Họ phát hiện ra rằng đặc biệt là vùng trung tâm ở đỉnh SAM tăng chiều cao và chiều rộng và vùng ngoại vi ở hai bên SAM tăng đáng kể về chiều rộng trong quá trình chuyển đổi ra hoa".

 

Nhìn từ trên xuống và từ bên cạnh của các đỉnh chồi của cây hoang dại cho thấy cách chúng tăng diện tích và trải qua quá trình tạo hình vòm trong quá trình chuyển đổi ra hoa (các đỉnh chồi sinh dưỡng ở bên trái và các đỉnh chồi tạo hoa ở bên phải). Bên dưới là các parabol được lắp để ước tính mức độ tạo hình vòm. Các đường màu đen cho thấy các đỉnh chồi trong một quần thể tạo lá và các đường màu trắng cho thấy các đỉnh chồi tạo hoa.

 

Các tác giả sau đó tập trung vào gen AP2, mã hóa một chất điều hòa phiên mã thúc đẩy sự tạo hình vòm của SAM nhưng cũng ức chế quá trình ra hoa. Lượng protein AP2 trong SAM cao trước khi ra hoa và dần dần cạn kiệt. Nếu thời gian mà AP2 hiện diện được kéo dài, chiều rộng của SAM sẽ tăng lên. Để xác định cách AP2 điều chỉnh sự thay đổi hình thái của SAM trong quá trình chuyển đổi ra hoa, các tác giả đã so sánh các gen được biểu hiện trong SAM có hoặc không có AP2, và so sánh các gen được biểu hiện khác nhau với những gen được biết là được điều chỉnh trực tiếp bởi AP2. Bằng cách này, họ đã xác định được gen SOC1, mã hóa một loại chất điều hòa phiên mã khác và đặc trưng hóa mô hình biểu hiện protein của nó trong SAM so với AP2 trong quá trình chuyển đổi ra hoa. Các protein này cho thấy các mô hình tích lũy đối lập trong suốt quá trình chuyển đổi ra hoa, với AP2 dần biến mất trong khi SOC1 dần tích lũy, điều này phù hợp với việc ra hoa bị ức chế bởi AP2 và được thúc đẩy bởi SOC1. Hơn nữa, các đột biến thiếu SOC1 có SAM lớn, và SOC1 tích lũy nhiều hơn trong SAM của các cây thiếu AP2, cho thấy rằng AP2 ức chế sự sản xuất SOC1. Những quan sát này, kết hợp với khả năng của cả hai protein để liên kết trực tiếp với gen của nhau, cho thấy rằng sự ức chế lẫn nhau của AP2 và SOC1 trong SAM đóng vai trò trong việc tích hợp sự thay đổi kích thước của SAM với việc sản xuất hoa.

 

 Mô hình tương tác giải thích cách mà hình thái của SAM và quá trình ra hoa có mối tương quan với nhau

 

Mô hình giải thích cách ức chế lẫn nhau trực tiếp của các gen AP2 và SOC1 tại đỉnh chồi điều chỉnh thời gian ra hoa và đồng bộ hóa nó với những thay đổi hình thái dẫn đến sự hình thành mô phân sinh có hình vòm có thể tạo ra hoa

 

Các tác giả đã kết hợp các quan sát của họ vào một mô hình giải thích rõ ràng cách mà AP2 và SOC1 đồng bộ hóa sự thay đổi hình thái của SAM với thời gian ra hoa và sản xuất hoa. Trong quá trình phát triển sinh dưỡng, AP2 trì hoãn quá trình chuyển đổi ra hoa, một phần bằng cách ức chế gen SOC1, nhưng không ảnh hưởng đến hình thái của SAM. Khi cây được kích thích ra hoa bởi những ngày dài, SOC1 tăng lên về số lượng và ngược lại, ức chế sự sản xuất AP2 và thúc đẩy quá trình ra hoa. Trước khi AP2 biến mất hoàn toàn, nó thúc đẩy sự gia tăng chiều cao và chiều rộng của SAM, và sự biến mất của nó đảm bảo rằng SAM không tăng quá mức về chiều rộng. Một đặc điểm trung tâm của mô hình là tầm quan trọng của sự ức chế lẫn nhau giữa AP2 và SOC1, điều này xác định khoảng thời gian mà cả hai yếu tố được biểu hiện. Điều này xác định thời gian sản xuất hoa và giới hạn giai đoạn mà AP2 thúc đẩy sự thay đổi hình thái của SAM. Loại ức chế lẫn nhau trực tiếp này đã được đặc trưng trong các quá trình phát triển ở động vật, và nghiên cứu này giúp nhấn mạnh cách mà các quyết định phát triển ở thực vật được kích hoạt bởi các tín hiệu môi trường, kích hoạt các mạng lưới điều hòa gen được biểu hiện theo các mô hình không gian - thời gian mạnh mẽ.

 

Bùi Anh Xuân theo Viện Max-Planck