Phản ứng của thực vật với ánh sáng có thể được thay đổi để mang lại lợi ích cho người trồng.

Nghiên cứu về công tắc di truyền này, do Đại học Riverside chủ trì, hiện đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Hầu hết mọi khía cạnh của quá trình sinh trưởng và phát triển của cây đều chịu ảnh hưởng của ánh sáng. Thực vật có thể cảm nhận ánh sáng, cũng như nhiệt độ, nhờ một loại protein gọi là phytochrome B. Protein này truyền thông tin ánh sáng vào tế bào làm thay đổi sự biểu hiện của bộ gien, làm thay đổi sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, phytochrome B không thể tương tác trực tiếp với ADN của cây. Để làm được điều đó, các tế bào thực vật dựa vào một họ gồm 8 loại protein được gọi là PIF.

Tác giả chính của nghiên cứu và là Giáo sư thực vật học của Đại học Riverside Meng Chen cho biết: Hoạt động của các PIF này được kiểm soát trực tiếp bởi phytochrome. Ngoài việc kiểm soát lượng PIFs tích tụ trong tế bào thực vật, các nhà khoa học đã biết được rằng khi phytochrome B được kích hoạt bởi ánh sáng, nó sẽ ức chế hoạt động của PIFs.

Các nhà khoa học cũng tìm thấy một thành phần quan trọng khác trong phản ứng ánh sáng của thực vật. PIF có hai phần; một bộ phận liên kết với các gien và một bộ phận kích hoạt các gien, giúp thực vật thực hiện các chức năng khác nhau như phát triển hoặc ra hoa. Nghiên cứu này đã tìm ra vị trí chính xác của các vùng hoạt hóa này - lần đầu tiên điều này được thực hiện trong tế bào thực vật.

Để tìm ra vùng kích hoạt này, nhóm của Chen đã cắt protein thành nhiều mảnh nhỏ. Sau đó, họ kiểm tra xem có mảnh ghép nào có thể kích hoạt gien hay không và phát hiện ra rằng một trong số chúng có khả năng này. Để biết thêm chi tiết, các nhà khoa học sau đó đã thay đổi các axit amin trên PIF, nơi họ tin rằng vùng hoạt hóa cư trú và quan sát cách cây phản ứng. Điều này cho phép họ chắc chắn về vị trí của vùng kích hoạt gien cũng như cách nó được xây dựng.

Chen cho biết: “Cách tiếp cận này cho phép chúng tôi nhận ra những điểm tương đồng giữa phần này của PIF ở thực vật và protein ức chế khối u ở người một cách đáng ngạc nhiên”. Trên thực tế, Chen cho biết các cơ chế kích hoạt gien cơ bản trong tế bào thực vật, nấm men và động vật có những điểm tương đồng đáng chú ý với nhau.

Chen nói: “Thực vật, động vật và nấm (như men làm bánh) đều tiến hóa từ một tổ tiên chung. Thông tin di truyền trong ADN chuyển đổi từ RNA thành protein, và chức năng cơ bản đó được bảo tồn thông qua các chất kích hoạt gien này”.

Trong trường hợp này, khám phá có thể cho phép các nhà khoa học bật và tắt các gien liên quan đến nhiệt độ và ánh sáng để mang lại lợi ích cho người trồng trọt.

Một phần của chiến lược để tăng năng suất cây trồng là trồng nhiều cây hơn trên một mẫu đất. Hiện tại, nếu bạn đặt cây trồng quá gần nhau, cây sẽ sử dụng nhiều năng lượng hơn để phát triển cao hơn về phía ánh sáng, nhưng không nhất thiết để tối đa hóa sự phát triển của lá và sản xuất hạt giống. Ngoài ra, nếu cây trồng có thể tập trung vào sản xuất lá và hạt thay vì phát triển cao hơn, người trồng có thể tăng năng suất trên cùng một diện tích.

Chen nói: “Bạn không muốn chỉ có thân cây phát triển, mà bạn muốn có năng suất. Vì vậy, thực vật cần năng lượng để tạo ra lá để chúng có thể tăng cường quang hợp, quá trình tạo ra thức ăn ngoài ánh sáng mặt trời. Bạn muốn bộ phận phù hợp của cây phát triển”.

Nhóm của Chen đã chứng minh rằng bằng cách giảm hoạt động của các protein PIF, chúng có thể làm chậm sự phát triển của thân cây. Do đó, nghiên cứu này đã khám phá ra một cách chính xác để làm cho cây ngắn lại, để hạt, quả và các phần ăn được của cây có thể phát triển, ngay cả trong bóng râm.

Chen nói: “Bây giờ chúng ta biết cách thực vật bật và tắt gien để đáp ứng với những thay đổi về ánh sáng và nhiệt độ. Đó là bước đầu tiên để kiểm soát phản ứng của chúng với ánh sáng và nhiệt độ, đồng thời làm cho chúng chịu đựng tốt hơn với các môi trường khác nhau, đôi khi đầy thách thức trong bối cảnh biến đổi khí hậu”.