Sự phát sinh hình thái là sự biểu hiện của các thông tin di truyền được mã hóa trong các trình tự DNA của genome và sự tương tác của các thông tin đó với nhau và với môi trường [49].
Ở tế bào chân hạch, một gene bao 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 nucleotid) cho phép nhận biết nhiều hormone (động vật, thực vật). Trên yếu tố điều hòa cis (có bản chất DNA) sẽ 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 RNA polymerase trên promoter qua trung gian phức hợp TFII. Từ đó, có sự sao chép các gene chuyên biệt. Vùng mã hóa của các gene ở tế bào chân hạch là một chuỗi 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 [64], [71].
Để nghiên cứu sự biểu hiện gene, người ta thường dùng kỹ thuật “DNA footprinting”, cây chuyển gene hay theo dõi sự thay đổi hàm lượng của vài mRNA
chuyên biệt... Trắc nghiệm GUS (-glucuronidase) thường được sử dụng để chứng
minh nhanh sự biểu hiện của gene được chuyển vào tế bào thực vật. Theo đó, tế bào có mang gene 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 -glucuronidase là X-Gluc (5-bromo-4-chloro- 3-indolyl--D-glucuronic acid, dạng muối cyclohexyl ammonium) [147], [49], [64].
Có rất nhiều gene tham gia trong quá trình điều hòa sự phát sinh phôi và phát sinh cơ quan. Ở mỗi giai đoạn phát triển khác nhau, các gene khác nhau được hoạt hóa trong các nhóm tế bào khác nhau, và 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 của chương trình được biểu hiện trong các tế bào phân hóa; tiềm năng sinh phôi của các tế bào phân hóa bị đàn áp bởi các tương quan trong một cơ thể nguyên vẹn [19], [96], [97], [108]. Quá trình sinh phôi soma thật sự là một chương trình biểu hiện gene. Trong đó, các chất điều hòa tăng trưởng thực vật có vai trò trung tâm trong việc khởi động dòng thông tin tế bào. Các loài thực vật khác nhau, với nhu cầu cảm ứng sự phát sinh phôi khác nhau, đòi hỏi hàm lượng cũng như loại chất điều hòa tăng trưởng thực vật khác nhau [33].
Sự biểu hiện gene có tính chuyên biệt theo từng giai đoạn phát triển. Vùng biểu hiện gene xuất hiện ở vị trí đánh dấu mô phân sinh ngọn chồi (SAM) trong phôi chưa trưởng thành trước khi vùng này có thể thấy được dưới kính hiển vi. Gene chỉ thị SAM đầu tiên biểu hiện trong phôi, trong 4 tế bào ngọn của phôi ở giai đoạn 16 tế bào, là
WUSCHEL (WUS). 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 (SAM) và xác định đặc tính của các tế bào gốc. Sự hình thành
các tế bào gốc được đánh dấu bằng sự biểu hiện của SHOOTMERISTEMLESS (STM)
trong phôi hình cầu và CLAVATA 3 (CLV3) trong phôi hình tim. Trong khi STM định vị trong vùng trung tâm của ngọn phôi (bao gồm các tế bào gốc và trung tâm tổ chức), thì sự biểu hiện của CLV3 giới hạn trong các tế bào gốc [56], [127].
Các kết quả nghiên cứu về việc biểu hiện gene trong những năm gần đây cho thấy có nhiều nhóm gene liên quan trong quá trình phát sinh hình thái, hình thành và phát triển phôi hợp tử và phôi soma ở thực vật. Đó là các gene đáp ứng với hormone (DcArg-1, các đồng dạng của pJCW1, pJCW2, DcECP63, Em, DcECF31), các gene giữ nhà (Top 1, EF-la, CEM6, H3-1, CGS102, CGS103, CGS201), các gene điều
khiển các con đường truyền tín hiệu (SERKs, swCDKs, CRKs, MsCPK3), các gene
đồng dạng (Sbh1, CHB1-CHB6, DcDB1), các gene mã hóa các protein ngoại bào (EP3-1, EP3-2, PgChi-1, PgGlu-1, EP2, DcAGP1), và các gene điều khiển sự
trưởng thành của phôi (Mat1, Dc2.15, Dc3, Dc8, DcEMB1, Em, DcECP31, DcECP40, MsLEC1, MsLEC2)... [34], [64].
Ở Arabidopsis, các protein vận chuyển auxin hay đáp ứng với auxin như PIN-FORMED (PIN1), PIN4, PIN7, MONOPTEROS (MP) và BODENLOS (BDL) đều xuất hiện trong phôi. Sự phân cực của các protein PIN dẫn đến sự tái sắp xếp hướng di chuyển của dòng auxin đến phần gốc của phôi, nơi sự tích lũy auxin góp phần định rõ mô phân sinh rễ cũng như sự phát triển của rễ sau này. Mặt khác, sự tái phân bố của PIN1 trong tiền phôi dẫn đến sự tích lũy auxin ở hai vị trí sẽ hình thành tử diệp. Sự xác định tế bào hình thành rễ (tế bào yên, ở trên cùng của dây treo) có lẽ cần sự di chuyển của MP và BDL từ vị trí tổng hợp đến ngay cạnh tế bào này [138], [47].
Ở lúa, LONELY GUY (LOG) cần thiết cho sự duy trì hoạt động của mô phân
sinh ngọn. Protein LOG trực tiếp chuyển cytokinin nucleotid (dạng liên kết, bất hoạt) thành dạng cytokinin tự do, có hoạt tính sinh học. Sự mất chức năng của LOG
sẽ kết thúc sớm vai trò của mô phân sinh ngọn. Sự lai in situ chứng minh sự định vị của LOG mRNA ở hai hay ba lớp tế bào ở đầu tận cùng của mô phân sinh ngọn chồi, không thấy ở vùng lõi [30], [77], [91].
Các phân tích về sự biểu hiện gene cho thấy các gene đồng dạng với WUS
đóng vai trò trong sự hình thành các phần của phôi, như các gene RELATED HOMEOBOX (WOX). Có khả năng sự biểu hiện của các gene này cần sự truyền tín hiệu MAPK (mitogen-activated protein kinase) [47], [30].
Ở Arabidopsis, các gene KNOX và WUS có vai trò trong sự hình thành và duy trì mô phân sinh ngọn chồi. Các protein KNOX hoạt hóa sự sinh tổng hợp cytokinin trong SAM thông qua sự cảm ứng gene IPT ở Arabidopsis và lúa [30], [77], [139].
Các phân tích đột biến ở Arabidopsis còn cho thấy hoạt động đối kháng của
WUS và nhóm gene CLAVATA. WUS cần cho sự duy trì các tế bào gốc, trong khi
CLAVATA giới hạn kích thước của mô phân sinh ngọn chồi [110], [117]. Vùng biểu hiện WUS gia tăng tương ứng với số lượng tế bào gốc tăng. Sự tăng số lượng tế bào
gốc thúc đẩy sự sao chép của CLV3 (tạo protein CLV3). Phức hợp protein CLV3-
CLV1 hình thành sẽ đàn áp sự biểu hiện của WUS dẫn tới với sự giảm số lượng tế
bào gốc, và do đó lượng CLV3 giảm, WUS biểu hiện để làm tăng số tế bào gốc (hình 1.4) [30], [54], [130]. Như vậy, mô phân sinh ngọn chồi là hệ thống tự điều chỉnh, trong đó các tương tác giữa WUS và CLV tạo nên một chu trình kín giữa các tế bào gốc và trung tâm tổ chức cơ bản.
Hình 1.4. Mối liên hệ tương tác giữa WUS và CLV trong sự duy trì các tế bào gốc [54], [130]: (1), sự biểu hiện của CLV3 được hoạt hóa bởi WUS; (2), Phức hợp protein CLV3-CLV1 đàn áp sự biểu hiện của WUS; (3), CLV3 giảm và WUS lại tiếp tục biểu hiện.