Sự phát sinh hình thái là sự biểu hện của các thông tin di truyền được mã hóa trong các trình tự ADN của genom và sự tương tác của các thông tin đó với nhau và với môi trường (Frank 2002).
Ở tế bào chân hạch, một gen gồm hai vùng chuyên biệt: vùng điều hòa và vùng mã hóa. Vùng điều hòa kiểm soát sự sao chép, bao gồm các promoter và yếu tố điều hòa cis. Promoter là nơi cho phép RNA polymerase bắt đầu sự sao chép. Yếu tố điều hòa cis là các trình tự DNA ngắn (6-8 cặp nucleotide) cho phép nhận biết nhiều hormone (động vật, thực vật). Trên yếu tố điều hòa cissẽ cố định yếu tố điều hòa trans (có bản chất protein). Các enhancer là trường hợp đặc biệt của yếu tố điều hòa cis. Sự liên kết của yếu tố điều hòa trans trên enhancer (sự điều hòa trans) dẫn tới sự hoạt hóa của promoter (sự điều hòa cis) và sự gắn của ARN polymeraz trên promoter qua trung gian phức hợp TFII. Từ đó có sự sao chép các gen chuyên biệt. Vùng mã hóa của các gen tế bào chân hạch là một chuổi lần lượt các exon và intron nằm xen kẽ nhau,intron được sao chép nhưng không được dịch, exon là trình tự được dịch thành các protein (Karp 1999, Hughes 1996).
Để nghiên cứu sự biểu hiện của gen, người ta thường dùng kỹ thuật “ADN footprinting”, cây chuyển gen hay theo dõi sự thay đổi hàm lượng của vài mARN chuyên biệt … Trắc nghiệm GUS (β-glucuronidase) thường được sử dụng để chứng minh nhanh sự biểu hiện của gen được chuyển vào tế bào thực vật. Theo đó, tế bào có mang gen GUS sẽ có màu xanh lơ đậm do sự tạo sản phẩm màu sau khi được ủ trong dung dịch có chứa đài chất của β-glucuronidaz là X-Gluc (5-bromo-4-cloro- 3indolyl-β-Dglucuronid acid, dạng muối cyclohexyl amonium) (Bùi Trang Việt 1994, Frank et al. 2002, Hughes 1996).
Có rất nhiều gen tham gia trong quá trình điều hòa sự phát sinh phôi và sự phát sinh cơ quan. Ở mỗi giai đoạn phát triển khác nhau, các gen khác nhau sẽ được hoạt hóa trong các nhóm tế bào khác nhau, ở những thời điểm khác nhau (sự điều hòa theo không gian và thời gian). Mỗi nhóm tế bào theo một con đường phát triển riêng biệt để trở thành một loại mô chứa các tế bào chuyên biệt, từ đó cho những cấu trúc hình thái thích ứng cho những chức năng đặc biệt. Mỗi tế bào cơ thể thừa hưởng toàn bộ thông tin di truyền của tế bào ban đầu nhưng chỉ có một phần chương trình được biểu hiện trong các tế bào phân hóa; tiềm năng sinh phôi của các tế bào đã phân hóa bị đàn áp bởi các tương quan trong một cơ thể nguyên vẹn (Bùi Trang Việt 2003, Scanlon 2003).
Quá trình sinh phôi thể hệ thật sự là một chương trình biểu hiện gen. Trong đó, các chất điều hòa tăng trưởng thực vật có vai trò trung tâm trong việc khởi động dòng thông tin tế bào. Ở mỗi loài khác nhau, nhu cầu cảm ứng sự sinh phôi khác nhau, đòi hỏi hàm lượng cũng như loại chất điều hòa tăng trưởng thực vật khác nhau (Chakrabarty et al. 2003).
Trong giai đoạn tăng trưởng và trưởng thành của phôi, có sự thay đổi trong chương trình biểu hiện gen, một số gen được khởi động trong khi một số gen ngưng hoạt động. Các gen biểu hiện có tính chuyên biệt, theo từng giai đoạn phát triển.
Vùng biểu hiện gen xuất hiện ở vị trí đánh dấu mô phân sinh ngọn trong phôi chưa trưởng thành trước khi vùng này có thể thấy được dưới kính hiển vi. Sự phát triển của mô phân sinh ngọn được khởi đầu bằng sự hình thành một trung tâm tổ chức dưới ngọn nhằm xác định các tế bào ở gốc ngọn. Gen chỉ thị SAM đầu tiên biểu hiện trong phôi là WUSCHEL (WUS). Sự biểu hiện gen này được định vị đầu tiên trong 4 tế bào ngọn của phôi giai đoạn 16 tế bào. Sự phân chia tế bào sau đó giúp hình thành một nhóm tế bào dưới ngọn lớn hơn. Có lẽ chức năng của WUS là duy trì trạng thái đa năng của các tế bào trong trung tâm tổ chức và xác định các tế bào gốc. Sự hình thành các tế bào gốc được đánh dấu bằng sự biểu hiện của
SHOOTMERISTEMLESS (STM) trong giai đoạn phôi hình cầu và CLAVATA 3
phôi bao gồm các tế bào gốc và trung tâm tổ chức thì sự hiện diện của CLV3 giới hạn trong các tế bào gốc (Groβ-Hardt and Laux 2003, Tahir and Stasolla 2006).
Các kết quả nghiên cứu về việc biểu hiện gen trong những năm gần đây đã cho thấy có rất nhiều nhóm gen liên quan trong quá trình phát sinh hình thái, hình thành và phát triển phôi thể hệ ở thực vật. Các nhóm gen đó bao gồm: các gen đáp ứng với hormon (DcArg-1, các đồng dạng của pJCW1, pJCW2,DcECP63, Em, DcECF31), gen giữ nhà (Top 1, EF-la, CEM6, H3-1, CGS102, CGS103, CGS201), gen điều khiển các con đường truyền tín hiệu (SERKs, swCDKs, CRKs, MsCPK3), gen đồng dạng (Sbh1, CHB1-CHB6, DcDB1), gen mã hóa các protein ngoại bào (EP3-1, EP3-2, PgChi-1, PgGlu-1, EP2, DcAGP1), gen điều khiển sự trưởng thành của phôi (Mat1, Dc2.15, Dc3, Dc8, DcEMB1, Em, DcECP31, DcECP40, MsLEC1, MsLeC2) … (Chugh & Khurana 2002, Hughes 1996).
Các phân tích về sự biểu hiện gen cho thấy các gen đồng dạng với
WUSCHEL (WUS) đóng vai trò trong sự hình thành các phần của phôi. Trước sự phân chia, phôi hợp tử hiện diện RELATED HOMEOBOX (WOX). Sau sự phân chia, WOX2 chỉ biểu hiện ở ngọn, trong khi WOX9biểu hiện ở gốc của tế bào con.
WUS cần cho sự hình thành mô phân sinh ngọn chồi, và có khả năng những gen
WOX khác đóng vai trò trong sự điều hòa các chức năng đặc trưng của tế bào nơi chúng biểu hiện. Sự khác biệt trong phân chia tế bào để hình thành các phần của phôi từ các tế bào con dẫn đến các khác biệt trong sự biểu hiện của các gen mã hóa cho các nhân tố sao mã Homeodomain (các gen đồng dạng với WUSCHEL) và nhiều gen khác. Tuy nhiên, nguyên nhân dẫn đến các khác biệt này vẫn chưa được biết. Có khả năng chúng cần sự truyền tín hiệu MAPK (mitogen-activated protein kinase) (Feraru and Friml 2008, Bögre and Beemster 2008).