Các nhà khoa học cây trồng của trường đại học Cambridge và Bordeaux đã khám phá ra một gen mà họ hy vọng rằng có thể sử dụng để gia tăng việc hấp thụ dinh dưỡng và có tiềm năng tăng năng suất cây trồng.

Các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu nhiều chiến lược khác nhau để tăng năng suất cây trồng một cách bền vững. Gia tăng hiệu quả của các con đường vận chuyển các chất như đường, protein và các chất dinh dưỡng hữu cơ khác giữa các bộ phận khác nhau trong cây là một trong những cách tiếp cận có thể đóng góp cho cuộc Cách Mạng Xanh tiếp theo này.

Hiểu biết về các nhân tố ảnh hưởng đến sự vận chuyển trong cây có thể cho phép các nhà công nghệ sinh học thực vật tạo ra nhiều cây trồng năng suất cao hơn trong tương lai. Cuối cùng, có thể vận chuyển trực tiếp các chất dinh dưỡng hữu cơ tới các bộ phận đặc biệt của cây được thu hoạch (hạt, quả và củ).

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Yrjö Helariutta tại phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc đại học Cambridge (SLCU) và nhóm nghiên cứu của tiến sĩ Emmanuelle Bayer tại Đại học Bordeaux/CNRS đã đưa ra mục tiêu này tiến gần hơn bằng cách phát hiện ra Phloem Unlloading Modulator (PLM), một gen mới ảnh hưởng đến việc vận chuyển chất dinh dưỡng bằng cách thay đổi những kênh kết nối tế bào thực vật lân cận được gọi là sợi liên bào. Những kênh nối màng ở cấp độ nano này nằm vắt ngang qua hàng rào thành tế bào để liên kết các tế bào thực vật lại với nhau và cho phép vận chuyển các chất cần thiết.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Plants cho thấy cây đột biến Arabidopsis thaliana thiếu gen PLM đã được tìm thấy để phóng thích nhiều chất từ phloem (một mô chuyên biệt cho vận chuyển đường dài) tại những đầu rễ của chúng. Sử dụng protein huỳnh quang làm đại diện cho các đại phân tử, các nhà khoa học có thể nhìn thấy gen PLM có sự ảnh hưởng và kiểm soát việc dịch chuyển một số lượng phloem. Để tìm hiểu làm thế nào gen này hoạt động như vậy, họ đã tìm xem những gì đang xảy ra tại những giao diện khác nhau của tế bào trong rễ của các cây giống.

Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Dawei Yan, phòng thí nghiệm Sainsbury, trường Đại học Cambridge, giải thích: “chúng tôi tìm thấy PLM đột biến làm giảm sự tắc nghẽn vận chuyển, mà trước đây đã làm giảm sự vận chuyển chất dinh dưỡng từ hệ thống mạch nhanh chóng đến các mô đang phát triển trong rễ. PLM đặc biệt hoạt động tại giao diện giữa phloem pole pericycle (PPP) và tế bào nội tiết, một giao diện quan trọng cho sự chuyển động xuyên tâm của những chất sau khi đã được loại bỏ. Việc di chuyển hoạt động của gen PLM có thể cho phép thực vật vận chuyển chất dinh dưỡng nhanh chóng và hiệu quả hơn tới những nơi cần thiết. Kết quả là rễ của những cây đột biến lớn nhanh hơn và dài hơn.

Các nghiên cứu sâu hơn về phân tử và di truyền đã cho thấy rằng PLM có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp sphingolipids, một loại lipid liên quan đến sự phát triển của thực vật và đáp ứng với môi trường. Trong khi nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Bayer trước đây đã chỉ ra rằng màng của sợi liên bào có nhiều sphingolipids, đây là nghiên cứu đầu tiên về sự liên kết của sphingolipids với chức năng sợi liên bào.

Bước tiếp theo là xác định PLM ảnh hưởng như thế nào đến độ dẫn điện tế bào. Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm liệu PLM có ảnh hưởng đến sợi liên bào hay không. Nhóm nghiên cứu cũng khẳng định rằng PLM thì không điều chỉnh quá trình tích luỹ callose, đây là chất điều chỉnh duy nhất nổi tiếng về tính thấm của sợi liên bào.

Tác giả thứ hai, nghiên cứu sinh trong nhóm Helariutta, Andrea Paterlini, đã đến Pháp để làm việc với Tiến sĩ Bayer để xem xét kỹ hơn liệu PLM có ảnh hưởng đến cấu trúc tế bào sợi liên bào hay không. Họ sử dụng phương pháp chụp cắt lớp điện tử để tạo ra bản đồ 3-D của các kênh ở mức độ nanomet.

Paterlini nói rằng: “Điều này cho phép chúng tôi phát hiện ra những sự thay đổi tốt đối với kiến trúc sợi liên bào. Chúng tôi đã tìm thấy tỷ lệ bằng nhau của màng sợi liên bào đơn giản và phân nhánh trong cả PLM đột biến và loại thực vật hoang dại. Tuy nhiên, thực vật không có PLM chỉ có sợi liên bào loại 1, thay vì hai loại thường được tìm thấy.

Các mô hình trước đây đã giả định rằng kích thước của các khớp nối tế bào chất (khoảng trống giữa endoplasmic reticulum và màng plasma trong sợi liên bào) có tương quan tích cực với khả năng vận chuyển. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi thì thách thức điều này và cho thấy rằng sợi liên bào loại I, những loại có khớp nối tế bào chất rất hẹp, thực sự dẫn điện hơn sợi liên bào loại II, có khớp nối tế bào chất mở”.

Giáo sư Helariutta phát biểu rằng: “Mối tương quan giữa chức năng gen (sinh tổng hợp lipid) và sự thay đổi của siêu cấu trúc sợi liên bào giống như là kết quả của 1 khiếm khuyết trong tổ chức của các chuỗi liên kết mà nó phân tách màng plasma từ các mạng lưới nội chất bên trong sợi liên bào: điều này dẫn đến phần lớn các sợi liên bào thiếu các ống tế bào chất có thể nhìn thấy trong thực vật có gen PLM bị đột biến.

Vẫn còn nhiều câu hỏi mới được trả lời cho nghiên cứu trong tương lai, chẳng hạn như, làm thế nào và tại sao sợi liên bào thiếu ống tế bào chất có tỷ lệ vận chuyển cao hơn có sự chuyển hoá của spingolipids có liên quan về mặt cơ chế với chức năng của PLM.

“Tuy nhiên, nghiên cứu này đã nâng cao hiểu biết của chúng tôi về các yếu tố điều hoà vận chuyển dinh dưỡng thực vật. Có một nhu cầu cấp thiết là phát triển cây trồng với hiệu quả dinh dưỡng tăng lên, giảm sử dụng phân bón và tăng năng suất cây trồng. Chúng ta có thể sử dụng thông tin về việc vận chuyển chất dinh dưỡng này để phân chia các chất dinh dưỡng hiệu quả hơn giữa các cơ quan khác nhau và các chất dinh dưỡng trực tiếp từ thân và lá đến các cơ quan lưu trữ khác của cây”.

Trương Thị Tú Anh theo Phys.org