1. Sự độc lập của hạt phấn - một vấn đề năng lượng

Hạt phấn của ngô, lúa và tất cả các loại ngũ cốc khác, cần tích trữ tinh bột như nguồn năng lượng để sử dụng sau này trong quá trình thụ tinh. Một nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi tiến sỹ Ivan Acostas từ Viện Max Planck về nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng ở Cologne, Đức, cung với các đồng nghiệp từ Trung tâm Khoa học Tự nhiên Umea, Thụy Điển, Viện Sinh lý Thực vật Phân tử Max Planck, Đức và Đại học Rutger, Hoa kỳ đã xác định phytohormone auxin là động lực chính để sản xuất năng lượng trong quá trình hình thành hạt phấn ở cây lúa mạch.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Current Biology cho thấy mối liên hệ trực tiếp của auxin với khả năng sinh sản của phấn hoa, hiện diện một công cụ quan trọng để cải thiện giống cây trồng và một bước quan trọng hướng tới nông nghiệp bền vững.

Sau một ngày dài vui chơi và chạy nhảy ngoài trời, đôi khi chúng ta băn khoăn về lượng thức ăn mà trẻ em có thể hấp thụ. Tùy từng trường hợp mà nhu cầu năng lượng của trẻ em sẽ khác nhau. Sự thay đổi trong việc hấp thụ năng lượng này cũng xảy ra rất sớm trong quá trình phát triển, khi các tế bào của chúng ta cần phát triển và trưởng thành, phát triển thành các chức năng khác nhau của chúng. Trong khi các công tắc quản lý năng lượng, được điều chỉnh bởi các hormone và chất điều hòa cụ thể, đã được nghiên cứu rất chi tiết trong tế bào động vật, thì nghiên cứu trong quá trình phát triển của thực vật mới chỉ bắt đầu.

Thực vật thực hiện quá trình quang hợp để chúng phát triển và sinh trưởng. Trong quá trình quang hợp, carbon dioxide cùng với nước và năng lượng, dưới dạng ánh sáng, được chuyển hóa thành oxy, glucose (đường) và tinh bột. Tinh bột được lưu trữ dưới dạng năng lượng để đảm bảo rằng cây tiếp tục sinh trưởng và phát triển khi không có sẵn năng lượng từ ánh sáng.

Dự trữ tinh bột cũng cần thiết cho sự phát triển và tăng trưởng của phấn hoa ngũ cốc. Không có tinh bột được tạo ra, hạt phấn không có khả năng sinh sản và cây không thể tái sinh. Tuy nhiên bằng cách nào và khi nào tinh bột thực sự tích tụ trong phấn hoa vẫn chưa rõ ràng.

Vấn đề năng lượng

Một bông lúa mạch hiển thị bao phấn mở được bao quanh bởi các hạt phấn đã phóng thích. Nghiên cứu hiện tại đã phát hiện ra rằng phấn hoa lúa mạch sử dụng hormone auxin để kiểm soát việc sản xuất tinh bột, một đặc điểm thiết yếu của hạt phấn ngũ cốc. Hình ảnh được chụp qua kính hiển vi điện tử bởi nhiếp ảnh gia Rob Kesseler (2018) như một “Đại diện khoa học cho một linh hồn lương thực đương đại (corn dolly)”.

Với tất cả các khối xây dựng để sản xuất tinh bột xuất phát từ cây mẹ, việc tạo ra tinh bột vẫn là một câu hỏi về năng lượng là yếu tố hạn chế. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã xác định auxin là hormone thiết yếu để thúc đẩy dòng năng lượng trong quá trình trưởng thành của hạt phấn lúa mạch. Auxin được yêu cầu để tăng sản lượng của các gen và con đường tạo ra năng lượng dưới dạng ATP, Adenosine triphosphate, đơn vị phân tử hiện trạng cho các trao đổi năng lượng trong tế bào. Do đó, sự hiện diện của auxin hoạt động dẫn đến sự gia tăng các con đường sản xuất năng lượng dẫn đến tích tụ nhiều tinh bột trong phấn hoa.

Điều đáng chú ý là bằng cách sử dụng các công nghệ di truyền phân tử tiên tiến, nhóm các nhà khoa học đã phát hiện ra phấn hoa lúa mạch có thể tự sản xuất ra auxin, độc lập với cây mẹ. Họ đã xác định được một loại enzyme đặc hiệu cho phấn hoa, đó là HvYUCCA4, enzyme này chịu trách nhiệm cho bước cuối cùng của quá trình tổng hợp auxin. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một cây đột biến được gọi là di truyền bất dục đực 38 (msg38), nơi HvYUCCA4 không có chức năng và phấn hoa không thể tạo ra auxin và lưu trữ tinh bột. Kết quả là hạt phấn của cây msg38 không có khả năng sinh sản. Với sự giúp đỡ của đột biến này, nhóm nghiên cứu đã hiểu sâu hơn về quá trình thiết lập tinh bột rất phức tạp, nhạy cảm với thời gian. Để đảm bảo sự phát triển thành công của hạt phấn, quá trình sản xuất tinh bột cần phải bắt đầu tại một thời điểm cụ thể để hoàn thành ngay trước khi hạt phấn được giải phóng khỏi bao phấn, cơ quan sản xuất và phân tán phấn hoa. Auxin là một tín hiệu điều phối thời gian chính xác của những sự kiện này.

Tác động đối với nông nghiệp

Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh sự hiểu biết sâu sắc về sinh học cây trồng sẽ cho phép các ứng dụng rộng rãi cho tương lai của ngành nông nghiệp như thế nào. Một bước tiến quan trọng trong việc kiểm soát khả năng sinh sản ở cây lúa mạch và các cây trồng khác và sự phát triển các dòng lai mới.

Acosta cho biết: “Những khám phá của chúng tôi sẽ có tác động mạnh mẽ đến cả nghiên cứu thực vật cơ bản và nhân giống ngũ cốc ứng dụng. Phấn hoa lúa mạch sẽ là một hệ thống mô hình tuyệt vời để nghiên cứu sự tổng hợp và tín hiệu của auxin mà không có nhiều tác động toàn phần thường liên quan đến sự thiếu hụt auxin ở các cây khác. Chức năng rất cụ thể của HvYUC4 trong sự phát triển phấn hoa lúa mạch ngay lập tức gợi ý sự ức chế hóa học của loại enzym đặc biệt này như một phương pháp để kiểm soát khả năng thụ tinh ở cây ngũ cốc, một chiến lược như vậy sẽ cho phép sản xuất hạt giống lai quy mô lớn giữa nhiều cặp bố mẹ, giấc mơ của nhà lai tạo vẫn chưa thành hiện thực”.

Theo Viện Max Planck

2. Thực vật sử dụng rễ của chúng để đo nồng độ mangan có sẵn trong đất

Mọi cơ thể sống đều cần nguyên tố mangan như một chất dinh dưỡng thiết yếu. Ví dụ, ở thực vật, nó đóng một vai trò quan trọng trong việc phân hủy nước thành oxy và hydro trong quá trình quang hợp. Một nhóm các nhà nghiên cứu Đức và Trung Quốc sử dụng mô hình loài cải xoong thale (Arabidopsis thaliana), chứng minh cách thực vật cảm nhận được sự thiếu hụt mangan và những quá trình nào sau đó diễn ra trong thực vật ở cấp độ phân tử.

Sự thiếu hụt mangan (Mn) gây ra dao động canxi (Ca2 +) đa bào trong “Niche cảm ứng Mn thấp” (LMnSN) ở rễ cây Arabidopsis (trái). Đến lượt mình, protein kinase phụ thuộc canxi CPK21 và CPK23 sẽ phosphoryl hóa chất vận chuyển hấp thu Mn có ái lực cao NRAMP1 ở Thr498 để tăng cường hấp thu Mn để cây trồng thích nghi với sự thiếu hụt Mn (bên phải). Nguồn: © WWU - AG Kudla.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một nhóm tế bào chưa được phát hiện cho đến nay trong rễ cây đóng vai trò quyết định. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng kết quả nghiên cứu của họ trong tương lai sẽ dẫn đến các phương pháp làm cho cây trồng chống lại sự thiếu hụt mangan - một tình trạng thường xảy ra ở đất kiềm và đất vôi.

Giáo sư Jörg Kudla từ Viện Sinh học Thực vật và Công nghệ Sinh học tại Đại học Münster (Đức) là một trong những tác giả hàng đầu của nghiên cứu. Ông nói, “Đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc protein nào có liên quan đến sự hấp thu và vận chuyển mangan trong tế bào. Nhưng cân bằng mangan được điều chỉnh như thế nào ở cấp độ của sinh vật thì hoàn toàn chưa được biết”.  

Bởi vì canxi tham gia như một chất truyền tin trong nhiều quá trình điều hòa khác trong thực vật, các nhà nghiên cứu đã tự hỏi liệu nó có đóng một vai trò nào đó trong việc điều chỉnh sự cân bằng mangan hay không.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được một nhóm tế bào đặc biệt trong rễ cây và đặt cho nó cái tên “bộ phận nhạy cảm với mangan”. Không giống như tất cả các tế bào rễ khác, những tế bào này thể hiện một phản ứng đặc biệt để phản ứng với sự thiếu hụt mangan: nồng độ canxi trong tế bào tăng lên và giảm xuống nhiều lần liên tiếp trong bối cảnh thiếu hụt kéo dài. Mỗi dao động kéo dài khoảng 30 phút. Kudla cho biết: “Trước đây chưa ai quan sát thấy sự dao động đa tế bào như vậy về nồng độ canxi được hình thành thông qua sự xuất hiện phối hợp của các tín hiệu canxi trong các tế bào riêng lẻ ở thực vật”. Chỉ có vài trăm tế bào cùng xây dựng tín hiệu. Các tế bào biểu bì - các tế bào ở lớp rễ ngoài cùng - là những tế bào đầu tiên bắt đầu tăng nồng độ canxi. Sau đó, các tế bào nằm xa hơn bên trong dần dần tuân theo - trước khi toàn bộ quá trình được đảo ngược.

Trong nghiên cứu trước đó, các nhà nghiên cứu do Jörg Kudla đứng đầu đã phát hiện ra thêm hai “hốc nhạy cảm” ở các khu vực khác trong rễ - một ngách nhạy cảm với kali và một ngách nhạy cảm với natri. Ở đây, rễ cây cũng phản ứng bằng cách tạo ra tín hiệu canxi đa bào trong các nhóm tế bào cụ thể để phản ứng với sự thay đổi nồng độ ion trong môi trường. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã không quan sát thấy bất kỳ dao động nào - không giống như trong ngách nhạy cảm với mangan.

Trong nghiên cứu hiện tại của họ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dao động canxi do thiếu mangan kích hoạt kích hoạt hai enzim đặc biệt - cái gọi là Kinase Protein phụ thuộc Canxi (CPK21 và CPK23) - và hai enzim này, về phần chúng, kích thích sự hấp thu của mangan. Kudla cho biết: “Khi kinase tự giải phóng khỏi canxi và chúng không hoạt động. Giả thuyết của chúng tôi là mọi dao động sẽ bắt đầu quá trình này một lần nữa - cho đến khi cây trồng đạt được mức hấp thụ đủ mangan”. Chất vận chuyển mangan NRAMP1, chịu trách nhiệm vận chuyển mangan vào các tế bào của rễ, là một phần của quá trình này. Protein kinase CPK21 và CPK23 tương tác với chất vận chuyển này và điều chỉnh sự hấp thu mangan bằng cách phosphoryl hóa một axit amin cụ thể.

Để chứng minh sự xuất hiện của tín hiệu canxi, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi có độ phân giải cao và lần đầu tiên, cảm biến sinh học canxi phân tử siêu nhạy. Cảm biến sinh học thường hình dung sự thay đổi nồng độ của các chất hoạt tính sinh học như canxi trong tế bào và mô. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp các nghiên cứu này, liên quan đến công nghệ cảm biến sinh học in vivo, với các phương pháp di truyền, sinh học tế bào và sinh hóa để làm rõ các cơ chế phân tử cơ bản. 

Theo Sciencedaily

3.Những hiểu biết sâu về sự tương tác giữa mầm bệnh và vật chủ cung cấp manh mối để bảo vệ cây trồng khỏi bệnh đạo ôn

Cấu trúc tinh thể của OsExo70F2 phức hợp với AVR-Pii cho thấy các chất lắng kỵ nước chiếm ưu thế trên giao diện tương tác. (A) Biểu diễn giản đồ của OsExo70F2 phức hợp với AVR-Pii. Cả hai phân tử đều được biểu diễn dưới dạng dải băng hình, với bề mặt phân tử được hiển thị với màu xanh lá cây và màu vàng tương ứng với OsExo70F2 và AVR-Pii. (B) Cận cảnh giao diện tương tác giữa OsExo70F2 và AVR-Pii. OsExo70F2 được trình bày dưới dạng bề mặt rắn, với bộ tạo hiệu ứng là các dải hình và chuỗi bên được hiển thị dưới dạng hình trụ cho các gốc tương tác AVR-Pii (Asp45, Tyr48, His49, Tyr64, Phe65 và Asn66) cùng với các gốc điều phối Zn2 + nguyên tử (Cys51, Cys54, His67 và Cys69). (C) Biểu diễn tính kỵ nước bề mặt OsExo70F2 tại giao diện tương tác AVR-Pii; chất lắng có màu tùy thuộc vào tính kỵ nước của chúng từ xanh nhạt (thấp) đến vàng (cao). (D) Biểu diễn điện thế tĩnh điện bề mặt OsExo70F2 tại giao diện tương tác AVR-Pii; chất lắng có màu phụ thuộc vào thế tĩnh điện của chúng từ xanh đậm (dương) đến đỏ (âm). Các dư lượng AVR-Pii từ 20 đến 43 không quan sát được trong biên độ điện tử được sử dụng để xác định cấu trúc. Nguồn: Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2022). DOI: 10.1073 / pnas.2210559119. 

Một cơ chế được sử dụng bởi nấm bệnh để thúc đẩy sự lây lan của bệnh đạo ôn, tàn phá cây ngũ cốc đã được tiết lộ rất chi tiết. 

Nhóm Banfield tại Trung tâm John Innes, phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Sinh học Iwate ở Nhật Bản và Phòng thí nghiệm Sainsbury ở Norwich mô tả cách một loại protein tác nhân (AVR-Pii) được sử dụng bởi nấm đạo ôn Maganaporthe oryzae liên kết với protein thụ thể ký chủ trên lúa Exo70. 

Từ kết quả phân tích cấu trúc protein, nghiên cứu cho thấy một cơ chế liên kết chặt chẽ, trong đó đáng kể nhất là bề mặt tác nhân tham gia vào tương tác với vật chủ mục tiêu. 

Khi đi sâu vào cấu trúc của AVR-Pii, nhóm nghiên cứu cũng đã chỉ ra rằng chất tác nhân này thuộc một họ protein mới có trong mầm bệnh đạo ôn, được gọi là "Zifs", vì chúng dựa trên mô típ ngón tay kẽm. 

Nghiên cứu được công bố trên Kỷ yếu Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). 

Giáo sư Mark Banfield, trưởng nhóm nghiên cứu tại John Innes và các cộng tác viên của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi đã xác định được một họ mới của các chất gây hiệu ứng Zif, một phát hiện có ý nghĩa trong việc tìm hiểu các cơ chế phân tử của bệnh đạo ôn. Những protein này có thể hữu ích trong nhiệm vụ của chúng tôi để tạo ra các đặc tính kháng bệnh mới chống lại nấm bệnh đạo ôn”. 

Trước đây, tất cả các cấu trúc của protein tác nhân trong mầm bệnh đạo ôn là từ một họ được gọi là nếp gấp MAX. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng AVR-Pii sẽ không phải là một hiệu ứng MAX và suy đoán rằng nghiên cứu có thể phát hiện ra một họ protein mới. 

Tương tác AVR-Pii-Exo70 này hỗ trợ khả năng kháng bệnh ở cây lúa thông qua biểu hiện cặp protein thụ thể miễn dịch NLR là Pii. Nhưng tương tác làm cơ sở cho sự kháng bệnh vẫn chưa được biết. 

Nghiên cứu trong tương lai sẽ khám phá mối liên hệ giữa AVR-Pii và Exo70 dẫn đến sự nhận biết miễn dịch của thụ thể NLR. Các thụ thể NLR thuộc về một họ protein cho phép thực vật cảm nhận sự hiện diện của các phân tử tác nhân gây bệnh và tạo ra phản ứng miễn dịch để kháng lại bệnh. 

Bệnh cây phá hủy đến 30% sản lượng cây trồng hàng năm, góp phần gây mất an ninh lương thực toàn cầu và bệnh đạo ôn là một loại bệnh chính của cây ngũ cốc. 

Khám phá cách các mầm bệnh nhắm vào vật chủ thực vật để thúc đẩy độc lực là điều cần thiết nếu chúng ta muốn hiểu cách bệnh phát triển, ngoài khả năng miễn dịch nhân tạo. 

Theo Phys.org

4. Vai trò của các yếu tố phản ứng ethylene trong điều hòa quá trình chín của quả và phản ứng với mầm bệnh

Tóm tắt những thay đổi trong quy định của các ERF khác nhau trong quá trình chín của quả cà chua và phản ứng với mầm bệnh. Nguồn: Li Shan.

Những thay đổi xảy ra ở quả thịt trong quá trình chín khiến chúng nhạy cảm hơn quả chưa chín đối với sự lây nhiễm do vi khuẩn và nấm. Thách thức đối với sản xuất trái cây là phải cân bằng giữa quá trình chín của quả và khả năng chống lại mầm bệnh để duy trì chất lượng quả sau thu hoạch. Hiểu được các quy trình cơ bản kiểm soát quá trình chín và phản ứng với mầm bệnh có thể cung cấp các phương pháp tiếp cận mới để cải tiến kỹ thuật đối với chất lượng quả và khả năng chống lại mầm bệnh. 

Yếu tố phản ứng ethylene (ERF) các yếu tố phiên mã đóng vai trò quan trọng trong các khía cạnh khác nhau của quá trình chín của quả cũng như khả năng chống lại mầm bệnh của quả thịt. 

Các nhà nghiên cứu từ Vườn Bách thảo Vũ Hán (WBG) thuộc Viện hàn lâm Khoa học Trung Quốc, cùng với các cộng tác viên từ Đại học Nottingham và Đại học Chiết Giang, đã xem xét và tóm tắt các nghiên cứu hiện tại về ERFs trong quá trình chín của quả và khả năng chống lại mầm bệnh của quả, như một phần của cuộc điều tra thành những cách tiếp cận mới để thay đổi quy định phiên mã nhằm cải thiện chất lượng quả và khả năng kháng mầm bệnh. 

Theo các nhà nghiên cứu, các loại quả nhiều thịt được phân loại là loại quả có tính khí hậu (đào, sầu riêng, táo, chuối, đu đủ, xoài) hoặc quả không có tính khí hậu (tức trái cây có giai đoạn chín không phụ thuộc vào yếu tố khí hậu) (cam, quýt, dâu tây, dưa hấu, nho). Như tóm tắt của nghiên cứu ERF về những loại quả thịt này, ERFs được báo cáo rộng rãi là có liên quan đến quá trình chín và phản ứng với sự lây nhiễm nấm, vi khuẩn và virus. 

Các ERF khác nhau điều chỉnh các khía cạnh của quá trình chín và phản ứng với sự lây nhiễm bệnh và được tham gia vào quá trình tổng hợp liên quan đến bất lợi của các protein liên quan đến sự phát sinh bệnh, phytohormones ethylene và các con đường dẫn tín hiệu jasmonic acid. Ví dụ, ở cà chua, các gen ERF chính được công nhận để điều chỉnh quá trình chín, phản ứng với sự nhiễm bệnh hoặc cả hai đều đã được xác định. 

Chức năng các yếu tố ERF trong phản ứng với mầm bệnh ở các loại quả thịt khác nhau. Nguồn: Li Shan.

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế phân tử và các tương tác điều hòa giữa các chất điều hòa này có thể cho thấy các cơ hội để cải thiện sức kháng bệnh và chất lượng quả. 

Theo Phys.org

5. Các tấm nhựa phủ lớp phim Eu3+ có khả năng chuyển đổi tia UV sang ánh sáng đỏ thúc đẩy sự phát triển của thực vật

Cây thông tùng Nhật Bản được trồng không có (trái) và có (phải) sử dụng tấm vật liệu chuyển đổi bước sóng (WCM). Nguồn: Sunao Shoji và cộng sự, Scientific Reports. 26/10/2022.

Một nhóm liên ngành từ các khoa Kỹ thuật và Nông nghiệp của Đại học Hokkaido và Viện Thiết kế và Khám phá Phản ứng Hóa học (WPI-ICReDD) đã phát triển một lớp phủ màng mỏng europium có tác dụng làm tăng tốc độ phát triển của thực vật. Công nghệ này có thể cải thiện tốc độ sản xuất của thực vật và có tiềm năng giúp giải quyết các vấn đề cung cấp lương thực toàn cầu. 

Tấm phim theo công nghệ mới chuyển ánh sáng tia cực tím sang ánh sáng đỏ. Nguồn: ICReDD.

Thực vật chuyển đổi ánh sáng nhìn thấy thành năng lượng thông qua một quá trình gọi là quang hợp. Ngoài ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng mặt trời còn chứa tia cực tím (UV). Các nhà nghiên cứu cung cấp cho thực vật thêm ánh sáng nhìn thấy để sử dụng trong quá trình quang hợp bằng cách sử dụng vật liệu chuyển đổi bước sóng (WCM) có thể chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ. 

Các nhà nghiên cứu đã phát triển vật liệu chuyển đổi bước sóng WCM dựa trên phức hợp europium và tạo ra một lớp phủ màng mỏng có thể được áp dụng cho các tấm nhựa bán sẵn trên thị trường. Các nhà nghiên cứu đưa ra kết quả phim chuyển đổi ánh sáng UV thành ánh sáng đỏ và khẳng định phim không chặn bất kỳ ánh sáng nhìn thấy có lợi nào từ mặt trời. Sau đó, tấm phim được kiểm tra bằng cách so sánh sự phát triển của thực vật thông qua việc sử dụng các tấm có và không có lớp phủ WCM. Các thử nghiệm đã được thực hiện cho cả cây cải cầu vồng, rau ăn lá và cây thông Nhật Bản. Vào mùa hè, khi ngày dài và bức xạ mặt trời mạnh, không có sự khác biệt đáng kể nào đối với cải cầu vồng khi sử dụng phim WCM. Tuy nhiên, vào mùa đông, khi ngày ngắn hơn và ánh sáng mặt trời yếu hơn, các cây cải này được trồng bằng màng WCM cho thấy chiều cao cây lớn hơn 1,2 lần và sinh khối lớn hơn 1,4 lần sau 63 ngày. Các nhà nghiên cứu cho rằng sự tăng trưởng nhanh chóng này là do sự gia tăng cung cấp ánh sáng đỏ do các phim WCM cung cấp.

(a) Sơ đồ màng WCM chuyển đổi ánh sáng UV sang ánh sáng đỏ (trái) và cấu trúc phân tử của các thành phần tấm phim (phải). (b) Hình ảnh các tấm nhựa có và không có lớp phủ WCM. (c) Quang phổ mặt trời cho biết các bước sóng được hấp thụ và phát ra bởi phim WCM. Nguồn: Sunao Shoji và cộng sự. Scientific Reports. 26/10/2022.

Các thử nghiệm liên quan đến cây thông Nhật Bản cũng cho thấy tốc độ tăng trưởng nhanh. Cây con cho tốc độ tăng trưởng tương đối cao hơn trong 4 tháng sinh trưởng ban đầu, dẫn đến đường kính thân lớn hơn 1,2 lần và tổng sinh khối lớn hơn 1,4 lần so với cây trồng không có lớp phủ WCM. Điều quan trọng là điều này giúp cây con đạt được kích thước tiêu chuẩn để trồng ở Hokkaido trong vòng một năm. Sử dụng màng WCM có thể rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây con từ hai năm xuống một năm, dẫn đến tiết kiệm chi phí sản xuất hơn. 

Công nghệ này cũng có tiềm năng giúp giải quyết các vấn đề an ninh lương thực ở những vùng có khí hậu lạnh và có lợi vì nó không yêu cầu bất kỳ nguồn điện nào để hoạt động. Các nhà nghiên cứu nhận thấy khả năng tùy biến của công nghệ này hứa hẹn mang đến những kết quả thú vị. 

Tác giả chính Sunao Shoji cho biết: “Bằng cách sử dụng một lớp phủ vật liệu thay đổi bước sóng, chúng tôi đã tạo ra thành công một màng trong suốt và chứng minh khả năng tăng tốc độ phát triển của cây trồng. Bằng cách thiết kế hợp lý ion phát sáng, chúng tôi có thể tự do điều khiển màu của ánh sáng phát ra thành các màu khác như xanh lá cây hoặc vàng, vì vậy chúng tôi hy vọng có thể tạo ra các màng chuyển đổi bước sóng được tối ưu hóa cho các loại thực vật khác nhau. Điều này mở ra một con đường phát triển lớn trong tương lai cho kỹ thuật nông nghiệp và lâm nghiệp thế hệ tiếp theo”. 

Theo Đại học Hokkaido

6. Nghiên cứu mang lại những thành quả mới cho nông nghiệp

Hơn 34 triệu người ở Hoa Kỳ không có đủ thức ăn. Cần có nhiều loại cây trồng thích ứng và đa dạng hơn để giải quyết những thách thức trong sản xuất lương thực do biến đổi khí hậu trở nên tồi tệ hơn. Quả mọng nhỏ, ngọt được gọi là quả tầm bóp cùng với các loại cây có liên quan khác có thể tăng cường nguồn cung cấp lương thực.

Khi cây tầm bóp ra hoa kết trái, chúng sẽ phát triển một lớp vỏ giống như quả bóng bay xung quanh quả mọng của chúng — được gọi là đài hoa phồng lên, được nhìn thấy ở đây. Các nhà nghiên cứu của CSHL đã xây dựng các mô hình di truyền mới cho hai loại đất thịt, với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại Đại học Johns Hopkins và Viện Boyce Thompson.

Giáo sư Zachary Lippman của Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (CSHL) đã xây dựng các bản thiết kế di truyền, hoặc mô hình, cho hai loại đất trồng. Những mô hình mới này có thể hướng dẫn các nhà di truyền học thực vật hướng tới việc mở ra tiềm năng chưa được khai thác của cây tầm bóp. Chúng cũng có thể là chìa khóa trong việc nhân rộng các loại cây họ cà khác để sử dụng rộng rãi. 

Lippman nói: Họ cà bao gồm hơn 20 loại cây trồng. Có các loại cây trồng chính - khoai tây, cà chua, cà tím - và sau đó là các loại cây trồng phụ, được bán thuần hóa hoặc là hoang dã. Rất nhiều trong số đó không nhận được nhiều sự quan tâm nghiên cứu, nhưng có thể có nhiều tiềm năng hơn để sản xuất lớn hơn nếu chúng có thể được phát triển hơn nữa. 

Cây tầm bóp là hình mẫu lý tưởng của họ cà vì di truyền giống nhau và lịch sử tiến hóa lâu đời của chúng. Chúng cũng phổ biến ở Bắc Mỹ, dễ trồng và dễ biến đổi gien. Nhưng thuộc tính thú vị nhất của chúng, có thể là lớp vỏ giống quả bóng bay hoặc đài hoa phồng bao quanh quả mọng của chúng. 

Lippman giải thích: “Nó dường như đã tiến hóa độc lập nhiều lần ở thực vật có hoa. Không rõ đó là một sự bất thường của quá trình tiến hóa, một đặc điểm thích nghi hay cả hai. Nhưng có một điều rất rõ ràng - đó là một trong những điểm mới lạ nhất về tiến hóa xuất hiện ở thực vật”. 

Nghiên cứu trước đây về cây họ cà cho thấy các gien được gọi là MADS-box chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện của đài hoa bị phồng lên. Sử dụng công cụ chỉnh sửa bộ gien CRISPR trên các mô hình khai thác đất mới của họ, Lippman và He đã tắt từng gien MADS-box. Họ phát hiện ra rằng các cây vẫn phát triển một đài hoa phồng lên cho dù chúng có gien hay không. Các mô hình cũng cho phép họ phát hiện ra một gien cần thiết cho sự phát triển của đài hoa được thổi phồng. Lippman nói: “Nếu không có các nguồn gien này, rất khó xác định cơ chế phân tử cơ bản của một số đặc điểm hình thành trong quá trình tiến hóa. Chúng tôi nghĩ rằng với nguồn tài nguyên mới, bộ gien mới, chúng ta có thể phân tích toàn bộ quá trình này”. 

Mục tiêu của các nhà nghiên cứu là xây dựng nhiều mô hình cây trồng mới cho cây họ cà, giúp cải thiện cây trồng dễ dàng hơn thông qua chỉnh sửa bộ gien. Những mô hình này cũng sẽ giúp cung cấp hiểu biết tốt hơn về sự phát triển tiến hóa của thực vật. 

Theo Sciencedaily

 7.Hiện nay chúng ta biết bằng cách nào thực vật tránh được mặn

Để tránh mặn trong đất, cây trồng có thể thay đổi hướng di chuyển của rễ và phát triển tránh xa vùng nhiễm mặn. Các nhà nghiên cứu của Đại học Copenhagen đã giúp tìm ra những gì làm cho điều này trở nên khả thi. Khám phá thay đổi hiểu biết của chúng ta về cách thực vật thay đổi hình dạng và hướng phát triển và có thể giúp giảm bớt vấn đề toàn cầu đang gia tăng về độ mặn cao trong đất nông nghiệp.

Nguồn: Getty Images.

Trong khi một bồn tắm ở Biển Chết siêu mặn có thể là một loại dầu dưỡng cho tâm hồn và cơ thể con người, thì mối quan hệ giữa hầu hết các loài thực vật và muối lại hoàn toàn ngược lại. Thực vật tìm mọi cách làm bất cứ điều gì có thể để tránh mặn - vì muối mặn có thể làm hư hại và thậm chí làm chúng chết ngạt.

Thật không may, mặn trong đất nông nghiệp đang là một vấn đề đang gia tăng trong toàn cầu, một phần do biến đổi khí hậu, làm tăng độ mặn của đất mỗi khi lũ quét qua các vùng ven biển. Thông thường, điều này làm giảm năng suất cây trồng.

“Thế giới cần những loại cây trồng có thể chịu mặn tốt hơn. Nếu chúng ta muốn phát triển những loài cây có khả năng chịu mặn tốt hơn, điều quan trọng trước tiên là phải hiểu cơ chế mà cây trồng phản ứng với muối”, giáo sư Staffan Persson thuộc Khoa Khoa học Thực vật và Môi trường của Đại học Copenhagen giải thích. Ông tiếp tục đề cập: “Để tránh muối trong đất, cây có thể làm cho bộ rễ của chúng phát triển ra khỏi vùng nhiễm mặn. Đó là một cơ chế quan trọng. Cho đến thời điểm hiện tại, vẫn chưa rõ thực vật thực hiện điều này như thế nào”.

Cùng với một nhóm các đồng nghiệp nghiên cứu nước ngoài, Persson đã khám phá ra chính xác những gì xảy ra bên trong thực vật ở cấp độ tế bào và phân tử khi rễ của chúng mọc ra tránh muối. Kết quả đã được công bố trên tạp chí khoa học Developmental Cell.

Tế bào biểu bì gốc của rễ xoắn. Nguồn: Wenna Zheng.

VẤN ĐỀ MẶN

- Nồng độ muối cao trong đất canh tác là do một số nguyên nhân, bao gồm lũ lụt các vùng ven biển do biến đổi khí hậu, cũng như thủy lợi, thường làm tăng độ mặn của đất.

- Chi phí hàng năm cho sự suy thoái đất do muối ở các khu vực được tưới tiêu ước tính khoảng 30 tỷ USD (nguồn: www.un.org).

Hormone phản ứng trước điều kiện bất lợi bắt đầu kích hoạt

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi cây cảm nhận được nồng độ muối tại chỗ, thì hormone stress ABA (axit abscisic) sẽ được kích hoạt trong cây. Hormone này sau đó thiết lập một cơ chế phản ứng thành chuyển động.

“Thực vật có một loại hormone được kích hoạt bởi muối. Loại hormone này gây ra sự tái tổ chức các ống nhỏ dựa trên protein trong tế bào, được gọi là bộ xương tế bào. Sự tái tổ chức sau đó làm cho các sợi cellulose bao quanh các tế bào rễ thực hiện một sự sắp xếp lại tương tự, buộc rễ xoắn theo cách mà nó phát triển thoát khỏi muối”, giáo sư Persson giải thích.

Cây con trong môi trường không có và có muối. Nguồn: Bo Yu.

Thay đổi hiểu biết về cách thức thực vật biến đổi hình dạng

Hormone phản ứng trước điều kiện bất lợi đóng vai trò chủ đạo là điều khiến các nhà nghiên cứu phát hiện ra sự ngạc nhiên. Cho đến nay, người ta tin rằng hormone auxin kiểm soát khả năng thay đổi hướng của thực vật để phản ứng với các ảnh hưởng khác nhau của môi trường (được gọi là tính hướng kích thích). 

Staffan Persson cho biết: “Hormone ABA rất quan trọng để thực vật có thể tổ chức lại thành tế bào của chúng và thay đổi hình dạng và hướng phát triển là hoàn toàn mới. Điều này có thể mở ra con đường mới trong nghiên cứu thực vật, nơi sẽ tập trung nhiều hơn vào vai trò quan trọng của hormone dường như đối với khả năng của thực vật đối phó với các điều kiện khác nhau bằng cách thay đổi chuyển động”.

Bằng cách gây đột biến một axit amin duy nhất trong một loại protein thúc đẩy sự xoắn của rễ, các nhà nghiên cứu đã có thể đảo ngược sự xoắn lại để cây không thể phát triển tránh khỏi muối. 

Persson tin rằng điều đó sẽ phải mất một thời gian trước khi kiến thức mới được áp dụng trong nông nghiệp - đặc biệt là bởi vì GMOs vẫn bị cấm ở EU. Tuy nhiên, kết quả này có thể mở ra con đường phát triển các giống cây trồng chịu mặn hơn. 

“Thực vật sản xuất nhiều hormone hơn khi chúng cảm nhận được muối. Không khó để tưởng tượng rằng nếu bạn có thể tăng tốc phản ứng bất lợi của thực vật bằng cách thay đổi các khía cạnh khác của bộ xương tế bào, bạn có thể làm cho quá trình xoắn rễ của nó diễn ra nhanh hơn. Bằng cách này, chúng ta có thể tăng cường sức mạnh cho thực vật bằng cách giảm tiếp xúc với muối”, giáo sư Persson cho biết. 

Hình ảnh rễ cây qua kính hiển vi. Nguồn: Bo Yu.

 GIỚI THIỆU NGHIÊN CỨU

- Khả năng phát triển của thực vật hướng về hoặc tránh xa các kích thích môi trường nhất định được gọi là tính hướng kích thích. Halotropism là khả năng phát triển tránh khỏi muối. Các tính hướng kích thích khác bao gồm phản ứng với ánh sáng (quang hướng tâm) và lực hấp dẫn (thuyết hấp dẫn).

- Các thí nghiệm trong nghiên cứu được thực hiện trên cây Arabidopsis bằng công nghệ sinh học và kính hiển vi.

- Bài báo khoa học về nghiên cứu "Xoắn rễ dẫn đến halotropism (hướng động liên quan đến hiện tượng mặn) thông qua định hướng lại vi ống do bất lợi gây ra" đã được công bố trên tạp chí Developmental Cell.

 Theo Đại học Copenhagen

8. Ngô đẻ nhánh phát triển tốt trong môi trường bất lợi

Không thể phủ nhận, ngô là một trong những cây trồng quan trọng nhất trên thế giới. Từ việc cung cấp thức ăn cho người và gia súc, cho đến nhiều mục đích sử dụng trong công nghiệp, con người đã trồng nó trong khoảng 10.000 năm. 

Trồng ngô trên một cánh đồng ở vùng Pampas, miền nam Argentina. Phần lớn ngô ở vùng này được trồng để làm thức ăn cho gia súc. Ảnh: Ignacio Massigoge.

 Theo truyền thống, ngô được trồng ở những vùng có năng suất cao nhất trên thế giới. Những vùng này có đất tốt, lượng mưa thích hợp và nhiều hơn thế nữa. Hãy nghĩ đến những nơi như Trung Tây Hoa Kỳ, nơi bạn có thể tìm thấy một linh vật của trường đại học liên quan đến ngô. Trong những năm gần đây, việc sản xuất ngô đã tăng lên ở các khu vực kém hiệu quả trên thế giới nhờ sự phát triển của các giống ngô lai mới và các biện pháp canh tác được cải thiện. 

Một biện pháp canh tác phổ biến ở các vùng hiệu quả thấp là tăng khoảng cách giữa các cây ngô trong hàng. Khoảng cách giữa các cây được gọi là mật độ cây. Với mật độ cây trồng thấp hơn, ngô sẽ ít cạnh tranh hơn về nước, chất dinh dưỡng và các nguồn tài nguyên khác. Tuy nhiên, khả năng tiếp cận nhiều hơn với các chất dinh dưỡng có thể khiến ngô đẻ nhánh. 

Bạn có biết rằng về mặt kỹ thuật, ngô thuộc họ cỏ? Giống như các loại cỏ khác, ngô có thể phát triển đẻ nhánh, một cấu trúc phân nhánh được tìm thấy tự nhiên ở gốc cây ngô. Đẻ nhánh cần dinh dưỡng để phát triển. Do đó, chúng có thể được coi là phiền toái khi lấy đi chất dinh dưỡng từ bộ phận quan trọng nhất của cây: trái ngô! Hiểu cách ngô đẻ nhánh ảnh hưởng đến năng suất ngô ở những vùng kém năng suất là rất quan trọng. 

Ignacio Massigoge, nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Mar del Plata và nhóm của ông nghiên cứu ngô và đẻ nhánh ngô ở Pampas của Argentina. Massigoge cho biết: “Nghiên cứu có thể giúp ổn định và tối đa hóa năng suất ngô sẽ có tác động đáng kể trong những môi trường bất lợi”. 

Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên Tạp chí Crop Science, một ấn phẩm của Hiệp hội Khoa học Cây trồng Hoa Kỳ. 

“Nghiên cứu này nhằm đánh giá vai trò của ngô đẻ nhánh khi trồng ngô ở mật độ thấp hơn”, Massigoge nói. Sự xuất hiện đẻ nhánh ảnh hưởng như thế nào đến năng suất ngô trong các môi trường khác nhau ở Pampas? Mối quan hệ giữa ngô đẻ nhánh, môi trường và năng suất ngô là gì? Đây là tất cả các câu hỏi mà nhóm đã làm việc để trả lời.

Những hàng ngô không để đẻ nhánh, được trồng ở vùng Pampas, miền nam Argentina. Ảnh: Ignacio Massigoge.

Các nhà nghiên cứu đã thiết lập 11 thí nghiệm ngoài đồng trong suốt hai năm ở Pampas, miền nam Argentina. Các nhà nghiên cứu đã thu thập dữ liệu từ ngô có và không có đẻ nhánh tại 11 địa điểm có ánh sáng mặt trời, lượng mưa và nhiệt độ khác nhau. Đối với ngô đang được nghiên cứu không để đẻ nhánh, các nhà nghiên cứu phải ngắt bỏ nhánh bằng tay. 

Các dữ liệu như mật độ cây, số bắp trên mỗi cây, số nhánh trên cây và năng suất ngô đã được thu thập và đánh giá. Thu thập dữ liệu này đã dẫn đến kết quả thú vị: Trong nhiều môi trường khác nhau, việc ngô đẻ nhánh hoặc có thể duy trì hoặc làm tăng năng suất ngô so với ngô không đẻ nhánh. 

“Ưu điểm của ngô đẻ nhánh so với ngô không đẻ nhánh đã thể hiện rõ trên nhiều loại môi trường. Đáng chú ý, ngô đẻ nhánh không tạo ra tác động tiêu cực đến năng suất ngô tổng thể ngay cả trong những môi trường bất lợi nhất được đánh giá”, Massigoge nói. “Người nông dân/nhà sản xuất trong môi trường hạn chế có thể sử dụng những phát hiện này để hiểu được ảnh hưởng của ngô đẻ nhánh khi trồng ngô ở mật độ thấp hơn”.

Thân ngô thành thục hoàn toàn có ba trái ngô. Ngô phát triển trên thân chính, nhưng cũng có thể phát triển trên các nhánh nếu có đủ tài nguyên (nước, ánh sáng mặt trời, chất dinh dưỡng) như trong ảnh này. Ảnh: Fernando Ross.

Mật độ trồng thấp hơn thì có lợi trong các môi trường bất lợi như vùng Pampas. Giảm mật độ cây làm giảm sử dụng nước và tăng nước hữu dụng, vì vậy một trong những thách thức chính đối với ngô trong những điều kiện hạn chế này là sử dụng tối đa các nguồn tài nguyên. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng ngô đẻ nhánh có thể giúp ngô sử dụng tối đa các nguồn tài nguyên và thích ứng với môi trường, khi những điều kiện môi trường tốt hơn dự kiến. 

Nghiên cứu này rất quan trọng đối với Massigoge và nhóm của ông. “Trong lịch sử, hầu hết các nghiên cứu về cây ngô đều tập trung vào môi trường năng suất cao. Các khuyến nghị đối với các vùng năng suất thấp hơn ít có tiến bộ hơn, vì vậy các nghiên cứu ứng dụng có thể giúp ổn định và/hoặc tối đa hóa năng suất ngô sẽ tạo ra tác động đáng kể đến sản xuất”. 

Theo Massigoge, nghiên cứu về sự đẻ nhánh của ngô rất hiếm, có thể do mật độ cây trồng truyền thống cao phổ biến trong môi trường hiệu quả không cho phép ngô phát triển việc đẻ nhánh. “Kiến thức mới này có thể hỗ trợ việc phát triển các công cụ hỗ trợ quyết định cho người nông dân trong các môi trường bất lợi hơn”. 

Theo Agronomy

9. CO₂ tăng gây ra tình trạng thiếu khoáng chất trong thực vật

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã coi quá trình quang hợp tăng cường là một trong những mặt sáng duy nhất của việc gia tăng mức độ carbon dioxide (CO2) trong khí quyển - vì thực vật sử dụng CO2 để quang hợp, với dự đoán rằng nồng độ khí cao hơn sẽ dẫn đến năng suất cao hơn.

Trong một bài đánh giá trên tạp chí Trends in Plant Science, các nhà khoa học từ Viện Khoa học Thực vật Montpellier (Pháp) giải thích lý do tại sao tác động này có thể ít hơn mong đợi vì mức độ CO2 tăng cao khiến thực vật khó thu được các khoáng chất cần thiết để phát triển và cung cấp thực phẩm chất lượng.
Tác giả nghiên cứu cho biết: “Có nhiều báo cáo cho thấy mức CO2 dự kiến vào cuối thế kỷ XXI sẽ dẫn đến nồng độ nitơ thấp hơn ở hầu hết các loài thực vật, chủ yếu ảnh hưởng đến hàm lượng protein trong các sản phẩm thực vật. Điều quan trọng là phải hiểu tại sao trồng cây ở mức CO2 cao lại có ảnh hưởng tiêu cực đến hàm lượng protein của các loại cây trồng chính và tương lai của lương thực."

Thực vật sử dụng quá trình quang hợp để kết hợp CO2 thành đường và chúng lấy năng lượng từ đó. Tuy nhiên, quá trình quang hợp không cung cấp cho thực vật các khoáng chất quan trọng cần thiết để phát triển. Đối với hầu hết các loài, những khoáng chất như nitơ, phốt pho và sắt được lấy từ đất thông qua hệ thống rễ. Nitơ đặc biệt quan trọng vì là thành phần chính tạo nên các axit amin mà thực vật sử dụng để tạo ra protein.

Thiếu nitơ không chỉ khiến thực vật sẽ gặp khó khăn trong xây dựng các mô mà còn cung cấp ít dinh dưỡng hơn cho con người. Có thể nhận thấy rõ nhất về thành phần dinh dưỡng của các loại cây trồng chính được sử dụng trên toàn thế giới như gạo và lúa mì bị tác động tiêu cực bởi sự gia tăng CO2. Điều này sẽ có tác động mạnh mẽ đến chất lượng lương thực và an ninh lương thực toàn cầu.

Tác giả nghiên cứu cho biết thêm: “Hai chất dinh dưỡng chính cần thiết của con người có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng này. Đó là protein được tạo ra từ nitơ, đây có thể là một vấn đề lớn ở các nước đang phát triển, bởi nhiều chế độ ăn uống ở những nước này không giàu protein và cây trồng ở nồng độ CO2 cao, lượng protein có thể giảm từ 20 - 30%. Dưỡng chất thứ hai bị ảnh hưởng là sắt. Thiếu sắt đã ảnh hưởng đến ước tính khoảng 2 tỷ người trên toàn thế giới”.

Ngoài các hệ thống lương thực toàn cầu, tình trạng khoáng chất của thực vật giảm khi CO2 trong khí quyển tăng lên có thể dẫn đến một vòng phản hồi tiêu cực trong những nỗ lực giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu. Tác giả nghiên cứu nhấn mạnh: “Bể chứa carbon trên mặt đất liên quan đến quá trình quang hợp được tăng cường có thể bị hạn chế nếu phần lớn thảm thực vật bị thiếu nitơ và các khoáng chất khác, điều này có thể ngăn cản sự gia tăng bổ sung của CO2 từ khí quyển”./.

Theo Sciencedaily

10. Rễ trở nên cứng để ngăn chặn sự sinh trưởng

Khi mùa xuân đến, màu xanh đầu tiên xuất hiện khi lá nhú lên. Điều khuất tầm nhìn là rễ cây mọc và lan rộng trong đất để hút chất dinh dưỡng và nước cần cho sự phát triển. Cây trồng kiểm soát sự sinh trưởng của rễ như thế nào là một câu hỏi quan trọng trong lĩnh vực sinh học đang được tiến hành nghiên cứu trên cây Arabidopsis thaliana. Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Giống Cây Trồng Max Planck ở Cologne đã xác định cách tạo thành tế bào mới ở rễ cây Arabidopsis ngừng sinh trưởng. Có vẻ như các tế bào ở rễ cây trở nên cứng hơn. 

Những khám phá này rất quan trọng. “Có thể thay đổi sự phát triển của rễ để cải thiện sức sống của cây trong các điều kiện môi trường khác nhau. Ví dụ như nhân giống cây trồng có các tế bào mềm trong thời gian lâu hơn, điều này giúp cho rễ cây phát triển dài hơn và dễ tiếp cận lớp đất sâu hơn để lấy nước, điều này rất quan trọng trong điều kiện trái đất nóng lên”, theo như giải thích của Miltos Tsiantis. 

Rễ cây Arabidopsis có cấu trúc đơn giản, rất dễ cho việc nghiên cứu. Vùng gần chóp rễ, các tế bào gốc phân chia tạo thành tế bào mới. Những tế bào mới này phân chia và tạo thành một vùng gọi là vùng kéo dài, nơi các tế bào ngừng phân chia và phát triển bằng cách kéo dài. Sau đó, các tế bào này trưởng thành ở vùng cuối cùng. Những nghiên cứu trước đây đã phát hiện ra các hormone thực vật và các gen điều chỉnh quá trình này. Nhưng cách các tế bào rễ mới tạo thành nhận biết để ngừng phát triển thì vẫn chưa được hiểu một cách tường tận. 

Hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi tiêu điểm với thành tế bào được nhuộm màu xám và một phân đoạn bề mặt tế bào của lớp biểu bì rễ cây Arabidopsis thaliana loài hoang dại. Những tế bào có màu nóng tùy vào tỷ lệ sinh trưởng theo chiều dọc của chúng, làm nổi bật vùng kéo dài là vùng tăng trưởng cao.

Trong một nghiên cứu gần đây; Shanda Liu, Miltos Tsiantis và các cộng sự đã giải thích: “Chúng tôi đã biết nhiều gen kiểm soát sự phát triển của rễ. Tuy nhiên, chúng tôi lại không biết nhiều về cách các tế bào chóp rễ sinh trưởng để tạo thành hình dạng cuối cùng của rễ như thế nào và cách rễ ngừng phát triển ra sao”. Smith cho biết: “Thật thú vị khi thấy các phương pháp tính toán mà nhóm chúng tôi đã sử dụng để nghiên cứu hình thái nay được sử dụng để nghiên cứu sự ngừng sinh trưởng”. 

Cytokinin ngừng sự sinh trưởng của rễ 

Trong một nghiên cứu mới của họ, Liu, Tsiantis và các cộng sự đã phát hiện một loại hormone thực vật gọi là cytokinin, đóng vai trò quan trọng trong việc ức chế sự sinh trưởng của các tế bào rễ. Các nhà khoa học cũng phát hiện khi các tế bào rễ ngừng phát triển, thành các tế bào này sẽ ngày càng trở nên cứng hơn. “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cytokinin là nguyên nhân làm ngừng sự sinh trưởng của tế bào rễ. Và việc này có liên quan đến sự cứng lại của thành tế bào. Điều này chỉ ra rằng việc làm cho tế bào thực vật cứng hơn có thể là một cơ chế quan trọng mà qua đó các gen và hormone sẽ ngăn chặn sự sinh trưởng của thực vật”, Tsiantis giải thích. 

Các nhà khoa học đã thực hiện các khám phá của họ bằng cách chụp hình ảnh hiển vi tế bào rễ cây Arabidopsis đang phát triển và trưởng thành, đồng thời khai thác thiết bị kiểm soát dòng chất lỏng. Những hình ảnh này cho thấy vị trí và thời gian các tế bào rễ sinh trưởng, ngừng sinh trưởng và trưởng thành. Các nhà khoa học cũng nhận thấy ở những cây có mức độ truyền tín hiệu cytokinin thấp hơn thì các tế bào rễ sẽ mất nhiều thời gian hơn để ngừng sinh trưởng. Một loạt các thí nghiệm khác kết hợp với mô hình tính toán cho thấy các tế bào trong vùng kéo dài – đang ngừng sinh trưởng có thành tế bào cứng hơn. 

Hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi tiêu điểm với thành tế bào được nhuộm màu xám và một phân đoạn bề mặt tế bào của lớp biểu bì rễ cây Arabidopsis thaliana các loài khác nhau. Hình bên trái là rễ cây Arabidopsis thaliana loài hoang dại với các tế bào được nhuộm màu nóng tùy vào tỷ lệ sinh trưởng theo chiều dọc của chúng, làm nổi bật vùng kéo dài là vùng sinh trưởng cao. Ở giữa là hình tế bào rễ đã được xử lý cytokinin. Bên phải là rễ loài hoang dại với các tế bào màu nóng tùy vào độ co rút của chúng sau khi được xử lý bằng dung dịch siêu thấm (màu lạnh hơn liên quan đến độ co rút cao hơn).

 Thay đổi đặc điểm của thành tế bào 

Sự sinh trưởng ở thực vật phụ thuộc vào đặc điểm thành tế bào của chúng. Điều này là do các tế bào thực vật không thể di chuyển để tạo thành tế bào và mô mới do các thành tế bào đã cố định tế bào tại chỗ. Thay vào đó, thực vật tạo tế bào mới và hình dạng bằng cách thay đổi sự sinh trưởng của chúng, liên quan đến các đặc điểm cơ chế của thành tế bào. Phát hiện này cung cấp các thông tin mới về cách thức và nơi các tế bào rễ sinh trưởng và ngừng sinh trưởng và cách chúng thay đổi tập tính tế bào khi trưởng thành và được điều chỉnh bởi hormone, chẳng hạn như cytokinin. Các phương pháp tiếp cận bằng kính hiển vi và tính toán mà các nhà khoa học đã sử dụng trong nghiên cứu này cũng có thể có ích cho các nhà khoa học thực vật khác. 

Như Tsiantis giải thích: “Các phương pháp tiếp cận bằng kính hiển vi mà chúng tôi sử dụng cũng có thể được dùng để nghiên cứu các gen hay hormone ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rễ như thế nào, để điều chỉnh sự phát triển của nó. Và để xác định xem chúng có ảnh hưởng đến sự cứng của thành tế bào không. Cytokinin cũng hoạt động trong các bộ phận trên mặt đất của cây chẳng hạn như lá. Thật là thú vị để biết xem liệu cytokinin có điều khiển sự sinh trưởng của lá tương tự như ở rễ hay không”. 

Theo Viện Max Planck