Hình thái học thực vật: Một nghệ thuật bị mai một

Khi Elizabeth Kellogg hoàn thành nghiên cứu tiến sĩ năm 1983, bà lo ngại rằng những kĩ năng của mình đã trở nên lỗi thời. Kellogg nghiên cứu về hình thái học (morphology) và phân loại học thực vật: phân tích kỹ lưỡng những hình dáng vật lý phong phú của các loài thực vật để tìm hiểu mối liên quan giữa các loài khác nhau.

Những hình ảnh 3D đem đến những góc nhìn mới về nụ hoa mõm chó (antirrhium). Ảnh: Karen Lee/Xana Rebocho/ Trung tâm John Innes. 

Nhưng hầu hết đồng nghiệp của bà đã chuyển sang một hướng tiếp cận mới: sinh học phân tử. “Tất cả mọi công việc giờ đây đều yêu cầu kỹ thuật phân tử” – Bà nói. “Cứ như là tôi học để viết và vẽ tay và rồi ai đó phát minh ra máy in vậy”.

Kellogg tốt nghiệp đúng vào lúc bắt đầu một cuộc cách mạng trong sinh học thực vật. Trong những thập kỉ tiếp sau đó, khi các nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng các công cụ phân tử và giải trình tự ADN thì những phân tích chi tiết về các đặc tính vật lý của thực vật trở nên lỗi mốt. Và bởi nhiều nhà di truyền học chỉ nghiên cứu một vài sinh vật chủ chốt, ví dụ như loài Arabidopsis thaliana thuộc họ cải, họ không cần chuyên môn về so sánh và đối chiếu các loài thực vật khác nhau. Trong các trường đại học, các khoa thực vật bắt đầu thu hẹp lại còn các khoa sinh học phân tử thì ngày càng mở rộng. Kellogg, đang làm việc tại Trung tâm Khoa học Thực vật Donald Danforth ở St Louis, Missouri, cũng phải thích nghi bằng cách đi theo hướng kết hợp genomics (chuyên ngành nghiên cứu cấu trúc, chức năng, tiến hóa bộ gene) với các kỹ năng hình thái học của mình để theo dõi sự tiến hoá của những đặc điểm quan trọng trong những họ hàng hoang dã của các loại cây lương thực.

Nhưng gần đây, Kellogg nhận thấy sự quay trở lại của ngành học tưởng như đã lạc hậu của mình. Những tiến bộ trong công nghệ hình ảnh (imaging) cho phép các nhà nghiên cứu nhìn vào cấu trúc bên trong của thực vật trong ba chiều, đồng nghĩa với việc chuyên môn về sinh lý và hình thái học thực vật lại trở nên cần thiết. Những tiến bộ trong chỉnh sửa và giải trình tự gene cũng cho phép các nhà di truyền học sửa chữa ADN của nhiều loài thực vật hơn, khiến họ hứng thú trở lại với việc tìm hiểu sự đa dạng thực vật.

Các nhà thực vật học hi vọng rằng, bằng cách kết hợp những phương pháp tiếp cận mới trong thực vật học với dữ liệu từ các phòng thí nghiệm di truyền học và hình ảnh, họ có thể trả lời tốt hơn những câu hỏi đã được các nhà sinh vật học đặt ra từ hơn 100 năm nay, đó là gene và môi trường ảnh hưởng thế nào đến sự đa dạng trong hình thức vật lý của thực vật. Hình thái học thực vật trước đây chỉ là một môn khoa học về hình thái thuần tuý, nhưng giờ đây nó buộc phải phục vụ mục đích tìm hiểu xem những đặc điểm của thực vật liên quan thế nào tới hoạt động gene trong các loài khác nhau.

Thực vật học 2.0

Ngành hình thái học thực vật có nguồn gốc từ thế kỉ 18 khi triết gia – thi hào người Đức Johann Wolfgang von Goethe nhận thấy mức độ đa dạng của các loài thực vật và bắt tay vào công cuộc tìm kiếm một loài thực vật nguyên mẫu mà từ nó tất cả các dạng thực vật khác bắt nguồn.

Ý tưởng lãng mạn đó đã không được hoàn thành, nhưng các nhà khoa học sau đó đã tiếp tục phát triển cách tiếp cận so sánh cấu trúc và chức năng của thực vật của Goethe để tìm hiểu cách tiến hoá và phát triển của thực vật. Sự tiến hoá của các loài thực vật có hoa sau này cũng là mối quan tâm lớn của Charles Darwin, người đã nổi tiếng gọi sự mở rộng nhanh chóng của một loạt các loại hình dạng, màu sắc và cách thụ phấn hoa là một ‘bí ẩn đáng ghét”.

Tuy thời đại của genomics đã dẫn dắt nhiều nhà thực vật học rời xa ngành hình thái học, thế hệ tiến bộ kĩ thuật mới nhất lại đang hướng họ quay trở lại với những câu hỏi đã từng làm đau đầu Goethe và Darwin.

Nổi bật trong những tiến bộ này là các máy chụp cắt lớp vi tính (computed tomography scanners), cho phép dựng lại những cấu trúc 3D phần bên trong thực vật mà không phá huỷ mất mô. Ví dụ, tại Đại học Vienna, nhà hình thái học thực vật Yannick Staedler đã sử dụng máy chụp cắt lớp để phân tích bí mật của một nhóm phong lan châu Âu có khả năng đánh lừa côn trùng. Trong khi nhiều loài lan thưởng mật hoa cho côn trùng giúp thụ phấn, thì một số loài khác lại giả làm đối tượng giao phối của côn trùng hay một loại hoa nhiều mật nhưng thực ra không đem lại lợi ích gì cho chúng. Các nhà sinh học từ thời Darwin đã đặt ra câu hỏi làm sao những loài phong lan ‘lừa đảo’ này vẫn có thể tiếp tục sinh sôi nảy nở khi mà các loài côn trùng không thể bị đánh lừa đến lần thứ hai. Nghiên cứu của Staedler cho rằng những loài phong lan đó có thể đã sản xuất nhiều noãn hơn phần bên trong bầu noãn sẽ trở thành hạt để bù trừ cho tỉ lệ thụ phấn thấp.

Phấn hoa bên trong một bông hoa “lừa đảo”, ảnh sử dụng phương pháp chụp x quang cắt lớp vi tính. Ảnh: Yannick Staedler.

Erika Edwards, một nhà hình thái học thực vật tại Đại học Yale, thì đang sử dụng máy chụp cắt lớp để phân tích cách mà hình dạng của những chiếc lá có thể bị ảnh hưởng bởi thời kì đầu phát triển trong không gian chật hẹp của chồi. Các nhà thực vật học đã nhận thấy trong cả một thế kỷ rằng những loại lá nhiều răng cưa hơn thường được tìm thấy ở những vùng lạnh phía bắc, trong khi những loại lá mượt hơn thường mọc ở những khu rừng nhiệt đới ẩm, nhưng lí do cho hiện tượng này thì chưa rõ. Edwards hi vọng sẽ tìm ra mối liên hệ này.

Một số nhà nghiên cứu đang kết hợp các phương pháp phân tử với công cụ hình ảnh 3D. Tại Trung tâm John Innes ở Norwich, UK, phòng thí nghiệm phát triển hoa của Enrico Coen sử dụng một kĩ thuật gọi là chụp cắt lớp hình chiếu quang học (optical projection tomography) để chụp những hình ảnh 3D quá trình tăng trưởng của thực vật. Nó còn có thể chụp được hình ảnh côn trùng đang giúp thụ phấn bên trong các bông hoa hay bị mắc kẹt trong một cây ăn thịt. Đồng thời, nhóm nghiên cứu cũng theo dõi hoạt động gene trong thực vật bằng cách đánh dấu những protein chủ chốt bằng chỉ thị huỳnh quang. Với việc kết hợp ngành hình thái học cổ điển với hình ảnh 3D và những hiểu biết về sinh học phát triển, nhóm nghiên cứu hi vọng sẽ hiểu thêm về những cơ chế tạo ra các dạng thực vật. Ví dụ, trong một nghiên cứu, Coen và cộng sự theo dõi sự phát triển của hoa lúa mạch và giải thích vì sao quá trình này bị xáo trộn trong một đột biến của cây lúa mạch lần đầu tiên được phát hiện vào những năm 1830 ở Nepal.

Giải thích qui luật tiến hoá từ bộ gene

Các phòng thí nghiệm phân tử cũng bị lôi kéo trở lại với ngành thực vật học bởi giống như các lĩnh vực khác trong genomics, việc đọc ADN đã trở nên rẻ đến mức chỉ là giải trình tự gene đơn thuần không còn đáng kể nữa. Từ sau khi bộ gene thực vật đầu tiên (của loài A. thaliana) được công bố năm 2000, đã có hơn 250 loài thực vật được giải trình tự bộ gene. William Friedman, giám đốc trung tâm Arnold Arboretum thuộc Đại học Harvard cho biết, ngày nay câu hỏi được đặt ra là nghiên cứu bộ gene (genomics) giải thích sự tiến hoá và xu hướng qui luật như thế nào.

Nhà hình thái học thực vật Dan Chitwood thuộc Đại học Bang Michigan đã tận dụng năng lực của việc giải trình tự bộ gene để nghiên cứu biểu hiện gene ở loài Caulerpa taxifolia- một loài rong biển có khả năng hình thành những cấu trúc phức tạp như thân và lá lược giống dương xỉ chỉ từ một tế bào siêu lớn. Một số nhà sinh vật học cho rằng lượng và tốc độ phân bào là điều quyết định hình thái của thực vật. Nhưng nghiên cứu của Chitwood chỉ ra rằng biểu hiện gene ở loài rong biển đơn bào thay đổi giống như biểu hiện gene ở những cấu trúc tương tự trong các thực vật đa bào. Điều này cho thấy sự phân chia tế bào không nhất thiết luôn quyết định hình thái thực vật.

Sự phát triển của những công cụ phân tử đã cho phép việc chỉnh sửa ADN từ những thực vật mà trước đây rất khó xử lý. Công cụ chỉnh sửa bộ gene CRISPR–Cas9 đã cho phép các nhà nghiên cứu sửa chữa một số gene cụ thể ở một loạt các loài thực vật. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công cụ này để biến cây rau muống tím thành màu trắng, hay chỉnh sửa các gene tham gia vào việc xây dựng thành tế bào ở loài phong lan.

Tuy nhiên Karl Niklas, một nhà nghiên cứu sự tiến hoá của thực vật tại Đại học Cornell cho rằng các nhà di truyền học cần tăng cường các kỹ năng chuyên môn về thực vật để hiểu rõ hơn ý nghĩa của những thí nghiệm họ làm. Các nhà nghiên cứu thường chỉ bất hoạt gene để xác định xem gene đó ảnh hưởng tới hình thức và chức năng của một thực vật như thế nào. Nhưng nếu không có khả năng chẩn đoán hình thái học hay giải phẫu, họ không thể thực sự biết là mình đang nghiên cứu cái gì. Ví dụ đã từng có một sinh viên cho Niklas xem một thể đột biến của ngô bị biến dạng mạch mộc – một bộ ống dẫn nước và chất dinh dưỡng từ rễ đến các bộ phận còn lại của cây. Nhưng thật ra đó là dạng bình thường của mạch rây, một mạng lưới các mạch khác có cấu trúc đặc trưng có chức năng phân phối chất dinh dưỡng hình thành từ lá.

Một nhà thực vật học khác tại Đại học Cornell là Chelsea Specht cũng cho rằng các nhà nghiên cứu bỏ lỡ rất nhiều nếu họ không dành thời gian xem xét sự đa dạng của các hình thái thực vật trong tự nhiên. Specht đã gặp những trường hợp các nhà khoa học không nhận ra rằng những đột biến gene – ví dụ như đột biến loài Arabidopsis với qui luật phân nhánh bị thay đổi – đang lặp lại những dạng thực vật có trong tự nhiên ở các dòng họ khác. Khi điều này xảy ra, các nhà nghiên cứu bỏ lỡ cơ hội đặt những đặc điểm này vào trong bối cảnh tiến hoá.

Các khóa huấn luyện thực vật học

Trước nguy cơ một ngành chuyên môn bị mai một, Friedman và vợ mình là Pamela Diggle, cũng là một nhà hình thái học thực vật tại Đại học Connecticut, đã mở một trại huấn luyện thực vật học chuyên sâu dành cho các nhà sinh vật học. Chương trình này được tài trợ đầu tiên bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, và từ năm nay sẽ do Quỹ Nhà thực vật học Mới- một tổ chức khoa học thực vật phi chính phủ ở Lancaster, Anh tài trợ. Chương trình nhận khoảng 12 nhà khoa học mỗi năm, một số đến từ các phòng thí nghiệm thường tập trung vào sinh vật học phân tử và nghiên cứu gene. Số người đăng ký tham gia thường xuyên nhiều gấp 6 lần số vị trí mà khoá học có thể nhận.

Jamie Kostyun, một nhà di truyền học tiến hoá, đã tham gia khoá học vào năm 2013 để học những kĩ năng cô cần để tìm hiểu những đặc tính của hoa thuộc chi Jaltomata. Những loài này có họ hàng với những cây lương thực quen thuộc như cà chua, khoai tây, nhưng có mức độ đa dạng về hoa rất cao và mới hình thành gần đây: một số loài có hoa phẳng, loài khác lại có dạng hình ống; có loài cho nhiều mật màu cam trong khi loài khác cho mật màu đỏ như máu. Kostyun muốn tìm hiều xem sự đa dạng đó bắt nguồn từ đâu. Cô sử dụng kiến thức hình thái học thực vật học được để phân tích chi tiết sự phát triển của hoa thuộc 5 loài Jaltomata khác nhau trong luận án tiến sĩ của mình.

Friedman hi vọng các nhà khoa học khác sẽ tiếp bước Kostyun trong việc hoà hợp các cách tiếp cận này với kĩ thuật so sánh cổ điển để đem đến những hiểu biết sâu rộng về những vấn đề đã gây băn khoăn cho các nhà nghiên cứu hàng thập kỉ nay, ví dụ như những bông hoa đầu tiên trên Trái đất này trông như thế nào.

Khánh Minh lược dịch
Nguyễn Trịnh Đôn, nghiên cứu viên sinh hóa tại Trung tâm John Innes (JohnInnes Centre), Norwich, Anh hiệu đính.
Nguồn bài và ảnh: https://www.nature.com/articles/d41586-018-01075-5