Các nhà khoa học do Ram Dixit dẫn đầu đã kết hợp thí nghiệm thực vật, phân tích vi cấu trúc và mô phỏng để làm sáng tỏ nguồn gốc của hiện tượng tăng trưởng xoắn ở rễ. Công trình xuất bản trên Nature Communications và phát triển trong khuôn khổ Center for Engineering Mechanobiology (NSF), một liên consortium do Washington University đồng lãnh đạo, với sự tham gia của các nhà sinh học, kỹ sư và nhà vật lý. Charles Anderson là đồng tác giả cấp cao; Natasha Nolan hiện làm việc tại Pivot Bio.
Nhóm kiểm tra xem việc xoắn đòi hỏi mất hoàn toàn chức năng gen hay chỉ cần thay đổi nơi biểu hiện gen. Họ dùng mô hình mà rễ có thể nghiêng sang phải hoặc trái và cho phiên bản wild-type của một gen quan trọng biểu hiện ở từng lớp tế bào của rễ. Kết quả: khi gen hoạt động chỉ ở lớp ngoài cùng, biểu bì, rễ thẳng; còn khi lớp trong biểu hiện, rễ vẫn xoắn. Điều này cho thấy biểu bì có thể điều phối hành vi cơ học của toàn bộ cơ quan.
Các thí nghiệm cơ học cho thấy phòng thí nghiệm của Anderson đã đo thay đổi hướng của các vi sợi cellulose trong rễ đột biến. Dựa trên dữ liệu đó, Guy Genin xây dựng mô hình máy tính cho thấy các lớp đồng tâm hoạt động như những vòng quanh thân cây, và "lớp ngoài chi phối". Mô phỏng chỉ ra rằng độ nghiêng ở biểu bì có thể tạo ra khoảng một phần ba độ xoắn so với khi mọi lớp nghiêng, và sửa biểu bì thẳng sẽ kéo theo toàn bộ rễ thẳng.
Dixit tóm tắt rằng "biểu bì không phải là một lớp da thụ động, mà là bộ điều phối cơ học cho sự tăng trưởng của toàn bộ cơ quan." Các tác giả nhấn mạnh ý nghĩa thực tiễn: trong bối cảnh biến đổi khí hậu tăng hạn hán và khi sản xuất nông nghiệp phải mở rộng sang đất nhiều đá hoặc bị nén chặt, những giống có rễ biết né chướng ngại vật có thể có giá trị. Nghiên cứu cũng cung cấp các mục tiêu và khuôn khổ cơ học để thiết kế kiến trúc rễ. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Center for Engineering Mechanobiology (NSF) và National Institute of General Medical Sciences (NIH); nguồn: Washington University in St. Louis.
Từ khó
- xoắn — quá trình hoặc hình dạng cuộn, uốn tròntăng trưởng xoắn, độ xoắn
- biểu bì — lớp tế bào ngoài cùng của rễ
- vi sợi — sợi rất nhỏ cấu tạo thành tế bàovi sợi cellulose
- mô phỏng — mô hình máy tính để giả lập thực tế
- điều phối — sắp xếp và kiểm soát hoạt động chung
- khuôn khổ — bộ nguyên tắc hoặc cấu trúc để làm việc
- chướng ngại vật — vật cản trên đường đi của rễ hoặc cây
- đột biến — thay đổi trong gen so với bình thường
Mẹo: di chuột, dùng phím Tab hoặc chạm vào các từ được tô sáng trong bài để xem định nghĩa nhanh ngay khi bạn đọc hoặc nghe.
Câu hỏi thảo luận
- Bạn nghĩ vai trò cơ học của biểu bì có thể thay đổi cách chọn giống cây trồng như thế nào? Hãy nêu vài lợi ích hoặc khó khăn.
- Mô phỏng kết hợp với dữ liệu vi cấu trúc có thể giúp thiết kế kiến trúc rễ ra sao trong thực tế nông nghiệp?
- Trong điều kiện đất nén hoặc nhiều đá, những thay đổi nào trong quản lý đất hoặc canh tác có thể tận dụng kết quả nghiên cứu này?
