Ảnh minh họa.

Từ xa xưa, thực vật đã là nguồn dinh dưỡng chính cho động vật và con người. Ngoài ra, thực vật còn được sử dụng để chiết xuất các hợp chất chữa bệnh khác nhau. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng một cách bừa bãi, cùng với nhu cầu lương thực ngày càng tăng, nhấn mạnh sự cần thiết của các biện pháp nhân giống cây trồng mới. Những tiến bộ trong công nghệ sinh học thực vật có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến khan hiếm lương thực trong tương lai bằng cách cho phép sản xuất cây trồng biến đổi gien (GM) với năng suất cao hơn và khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu.

Đương nhiên, thực vật có thể tái tạo một cây hoàn toàn mới từ một tế bào totipotent duy nhất (một tế bào có thể tạo ra nhiều loại tế bào) thông qua quá trình biệt hóa và tái biệt hóa thành các tế bào có cấu trúc và chức năng khác nhau. Sự điều hòa nhân tạo các tế bào toàn năng như vậy thông qua nuôi cấy mô thực vật được sử dụng rộng rãi để bảo tồn, nhân giống, tạo ra các loài biến đổi gien và mục đích nghiên cứu khoa học. Thông thường, nuôi cấy mô để tái sinh thực vật đòi hỏi phải áp dụng các chất điều hòa sinh trưởng thực vật (PGR), chẳng hạn như auxin và cytokinin, để kiểm soát sự biệt hóa tế bào. Tuy nhiên, điều kiện hormone tối ưu có thể thay đổi đáng kể tùy theo loài thực vật, điều kiện nuôi cấy và loại mô. Do đó, việc thiết lập các điều kiện PGR tối ưu có thể tốn nhiều thời gian và công sức.

Để vượt qua thách thức này, Phó Giáo sư Tomoko Igawa cùng với Phó Giáo sư Mai F. Minamikawa từ Đại học Chiba, Giáo sư Hitoshi Sakakibara từ Trường Cao học Khoa học Nông nghiệp Sinh học, Đại học Nagoya và Chuyên gia Kỹ thuật Mikiko Kojima từ RIKEN CSRS, đã phát triển một phương pháp linh hoạt tái sinh thực vật bằng cách điều chỉnh sự biểu hiện của gien điều hòa phát triển (DR) kiểm soát sự biệt hóa tế bào thực vật. Tiến sĩ Igawa cho biết: “Thay vì sử dụng PGR bên ngoài, hệ thống của chúng tôi sử dụng các gien DR liên quan đến sự phát triển và hình thành hình thái, để kiểm soát hệ thống này sử dụng các gien yếu tố phiên mã và tương tự như việc tạo ra tế bào đa năng ở động vật có vú.”

Các nhà nghiên cứu đã xem xét hai gien DR, đó là -- BABY BOOM (BBM) và WUSCHEL (WUS) từ cây Arabidopsis thaliana (được sử dụng làm cây mẫu) và kiểm tra tác động của chúng đối với sự khác biệt của nuôi cấy mô cây thuốc lá, rau diếp và cây dã yên thảo. BBM mã hóa yếu tố phiên mã điều chỉnh sự phát triển phôi, trong khi WUS mã hóa yếu tố phiên mã duy trì sự nhận dạng tế bào gốc trong vùng mô phân sinh đỉnh chồi.

Các thí nghiệm của họ cho thấy rằng chỉ biểu hiện của Arabidopsis BBM hoặc WUS là không đủ để tạo ra sự biệt hóa tế bào trong mô lá thuốc lá. Ngược lại, sự đồng biểu hiện của BBM được cải tiến về mặt chức năng và WUS được sửa đổi về mặt chức năng đã tạo ra một kiểu hình khác biệt hóa nhanh chóng và tự chủ. Các tế bào lá chuyển gien biệt hóa thành mô sẹo (một khối tế bào vô tổ chức), các cấu trúc giống cơ quan màu xanh lục và các chồi bất định khi không có ứng dụng PGR. Phân tích phản ứng chuỗi polymerase định lượng (qPCR) (một kỹ thuật được sử dụng để định lượng bản phiên mã gien) cho thấy rằng sự biểu hiện của Arabidopsis BBM và WUS có liên quan đến sự hình thành mô sẹo và chồi chuyển gien.

Với vai trò quan trọng của phytohormone trong sự phân chia và biệt hóa tế bào, các nhà nghiên cứu tiếp tục định lượng mức độ của sáu phytohormone, cụ thể là - auxin, cytokinin, axit abscisic (ABA), gibberellin (GA), axit jasmonic (JA), axit salicylic (SA) và các chất chuyển hóa của chúng trong môi trường nuôi cấy thực vật chuyển gien. Phát hiện của họ cho thấy mức độ auxin hoạt động, cytokinin, ABA và GA không hoạt động tăng lên khi các tế bào biệt hóa để hình thành các cơ quan, làm nổi bật vai trò của chúng trong quá trình biệt hóa tế bào thực vật và hình thành cơ quan.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ phiên mã bằng cách giải trình tự RNA (một kỹ thuật được sử dụng để phân tích định tính và định lượng biểu hiện gien) để đánh giá các kiểu biểu hiện gien trong các tế bào chuyển gien cho thấy sự biệt hóa tích cực. Kết quả của họ cho thấy các gien liên quan đến sự tăng sinh tế bào và auxin đã được làm phong phú hơn trong số các gien được điều hòa khác nhau. Xác nhận sâu hơn bằng cách sử dụng qPCR cho thấy bốn gien được điều hòa tăng hoặc giảm điều hòa trong các tế bào chuyển gien, bao gồm các gien điều hòa sự biệt hóa tế bào thực vật, trao đổi chất, hình thành cơ quan và phản ứng phụ trợ.

Nhìn chung, những phát hiện này đã làm sáng tỏ phương pháp tiếp cận mới và linh hoạt trong tái sinh cây trồng mà không cần áp dụng PGR bên ngoài. Hơn nữa, hệ thống được sử dụng trong nghiên cứu này có khả năng nâng cao hiểu biết của chúng ta về các quá trình cơ bản của quá trình biệt hóa tế bào thực vật và cải thiện việc nhân giống công nghệ sinh học các loài thực vật hữu ích.

Nhấn mạnh các ứng dụng trong công trình của họ, Tiến sĩ Igawa nhận xét: “Hệ thống được báo cáo có thể cải thiện nhân giống cây trồng bằng cách cung cấp một công cụ để tạo ra sự biệt hóa tế bào của tế bào thực vật biến đổi gien mà không cần áp dụng PGR. Do đó, trong các xã hội nơi thực vật biến đổi gien được chấp nhận làm sản phẩm, nó sẽ đẩy nhanh việc nhân giống cây trồng và giảm chi phí sản xuất liên quan.”