Những nghiên cứu mới nhất trên tạp chí Nature Plants đã làm sáng tỏ các cơ chế phân tử điều phối quá trình sinh trưởng, độ bền và khả năng sinh tồn của thực vật ở cấp độ tế bào. Các nhà khoa học đã tập trung vào hai quá trình cơ bản: giai đoạn cuối cùng của quá trình phân chia tế bào (phân chia tế bào chất) ở các loài cây thân thảo và quá trình hình thành cấu trúc gỗ ở các loài cây lâu năm.
Trong nghiên cứu đầu tiên thực hiện trên cây mô hình Arabidopsis thaliana, các nhà sinh học đã tìm hiểu hoạt động của các protein vận động — cụ thể là các kinesin thuộc họ KINESIN-12. Những protein này chịu trách nhiệm vận chuyển vật liệu xây dựng trong quá trình hình thành vách ngăn bào phân (phragmoplast) — một cấu trúc tạm thời đóng vai trò làm nền móng cho vách tế bào mới.
Kết quả cho thấy trong họ KINESIN-12 tồn tại một sự phân công lao động cực kỳ nghiêm ngặt. Một số protein có nhiệm vụ dẫn đường cho các túi màng đến rìa phía trước của vách ngăn bào phân để lắp ráp tấm tế bào mới, trong khi số khác lại ổn định sự tương tác giữa các vi ống với màng ở phía sau. Nếu thiếu đi sự phối hợp tinh vi này, quá trình phân chia tế bào sẽ không thể diễn ra bình thường, từ đó ngăn cản trực tiếp sự phát triển và phục hồi mô ở các loại cây trồng như lúa mì hay đậu nành.
Nghiên cứu thứ hai tiết lộ cơ chế mà cây dương sử dụng để điều chỉnh độ bền của hệ thống dẫn nước (mạch gỗ). Khi nhựa cây lưu thông, một áp suất nội bào lớn sẽ phát sinh bên trong các mạch dẫn, và để ngăn chặn tình trạng biến dạng vách mạch, thực vật đã kích hoạt một con đường truyền tín hiệu dựa trên canxi. Khi ghi nhận các kích thích nhất định, các tế bào sẽ kích hoạt một loại enzyme mang tên protein kinase phụ thuộc canxi CPK3.
Loại enzyme này thực hiện quá trình phosphoryl hóa (biến đổi hóa học) một protein chuyển mạch, đó là yếu tố phiên mã ERF72. Một khi được kích hoạt, ERF72 sẽ khởi động các gen chịu trách nhiệm tổng hợp khẩn cấp lignin — một loại polyme tự nhiên giúp liên kết các sợi xenlulo. Hệ quả là vách tế bào thứ cấp của các mạch gỗ dày lên, trở thành các kênh dẫn được gia cố vững chắc. Phân tích trên các quần thể cây dương mọc hoang dã đã xác nhận rằng những biến thể tự nhiên trong hoạt động của mô-đun này có mối tương quan chặt chẽ với điều kiện độ ẩm tại môi trường sống của chúng.
Những phát hiện này đang chuyển đổi lĩnh vực chọn tạo giống từ những thử nghiệm mò mẫm sang kỹ thuật chính xác. Bằng cách xác định các mục tiêu cụ thể là gen KINESIN-12 và cặp CPK3–ERF72, các nhà di truyền học giờ đây có khả năng sử dụng các hệ thống chỉnh sửa bộ gen định hướng (CRISPR/Cas9). Đối với nông nghiệp, đây là cơ hội để đẩy nhanh sự phát triển sinh khối của các loại cây ngũ cốc, còn đối với lâm nghiệp, nó giúp điều chỉnh có chủ đích mật độ gỗ và khả năng chống chịu của hệ thống mạch dẫn ở cây rừng, biến những cơ chế protein siêu nhỏ thành công cụ hiệu quả để quản lý toàn bộ hệ sinh thái.
