Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã bối rối trước các tín hiệu mà thực vật tự gửi đi để bắt đầu quá trình quang hợp, quá trình biến ánh sáng mặt trời thành đường. Các nhà nghiên cứu của UC Riverside hiện đã giải mã được những tín hiệu mờ ảo này.

Minh họa quang hợp Các đầu vào và đầu ra cơ bản của quá trình quang hợp. Nguồn: Olha Pohorielova/iStock/Getty.

Trong nửa thế kỷ qua, các nhà thực vật học đã biết rằng trung tâm chỉ huy của tế bào thực vật, hạt nhân, gửi chỉ thị đến các phần khác của tế bào, buộc chúng phải tiến hành quang hợp. Những hướng dẫn này ở dạng protein và nếu không có chúng, cây sẽ không chuyển sang màu xanh hoặc phát triển. “Thách thức của chúng tôi là hạt nhân mã hóa hàng trăm protein chứa các khối xây dựng cho các bào quan nhỏ hơn. Việc xác định cái nào là tín hiệu để chúng kích hoạt quá trình quang hợp giống như mò kim đáy bể vậy”, giáo sư thực vật học Meng Chen của UCR cho biết.

Quá trình mà các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của Chen đã sử dụng để tìm ra bốn trong số các protein này hiện đã được đăng trên tạp chí Nature Communications.

Trước đây, nhóm của Chen đã chứng minh rằng một số protein trong nhân thực vật được kích hoạt bằng ánh sáng, khởi động quá trình quang hợp. Bốn protein mới được xác định này là một phần của phản ứng đó, gửi tín hiệu biến các cơ quan nhỏ thành lục lạp, tạo ra đường thúc đẩy tăng trưởng.

Chen so sánh toàn bộ quá trình quang hợp với một bản giao hưởng. “Dây dẫn của bản giao hưởng là các protein trong nhân được gọi là tế bào cảm quang phản ứng với ánh sáng. Trong bài báo này, chúng tôi đã phát hiện ra cả hai cơ quan cảm quang nhạy cảm với ánh sáng đỏ và xanh lam đều khởi xướng bản giao hưởng. Chúng kích hoạt các gen mã hóa các khối xây dựng của quá trình quang hợp.

Tình huống độc đáo, trong trường hợp này, là bản giao hưởng được biểu diễn trong hai “phòng”, bởi cả nhạc sĩ địa phương (hạt nhân) và từ xa. Như vậy, các dây dẫn (các cơ quan cảm nhận ánh sáng), chỉ hiện diện trong nhân, phải gửi cho các nhạc công ở xa một số thông điệp qua khoảng cách. Bước cuối cùng này được kiểm soát bởi bốn loại protein mới được phát hiện di chuyển từ nhân đến lục lạp.

Hiện nay, rất nhiều nghiên cứu mô tả sự giao tiếp từ bào quan trở lại nhân. Nếu có điều gì đó không ổn với các bào quan, chúng sẽ gửi tín hiệu đến “trụ sở chính” của hạt nhân. Người ta biết rất ít về các tín hiệu điều chỉnh hoạt động được gửi từ nhân đến các bào quan.

“Nhân có thể kiểm soát sự biểu hiện của gen ty thể và lục lạp theo cách tương tự”, Chen cho biết. “Vì vậy, các nguyên tắc mà chúng ta học được từ con đường truyền thông tin từ nhân đến lục lạp có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách nhân điều chỉnh các gen của ty thể và rối loạn chức năng của chúng trong bệnh ung thư”.

Tầm quan trọng của việc hiểu cách kiểm soát quá trình quang hợp có các ứng dụng ngoài nghiên cứu bệnh tật. Các khu định cư của con người trên một hành tinh khác có thể sẽ yêu cầu canh tác trong nhà và tạo ra một sơ đồ ánh sáng để tăng sản lượng trong môi trường đó. Thậm chí, ngay lập tức, biến đổi khí hậu đang đặt ra những thách thức cho trồng trọt trên hành tinh này.

“Lý do chúng ta có thể tồn tại trên hành tinh này là vì các sinh vật như thực vật có thể quang hợp. Không có chúng thì không có động vật, kể cả con người”, Chen nói. “Hiểu biết đầy đủ và có khả năng điều khiển sự phát triển của thực vật là rất quan trọng đối với an ninh lương thực”.

Theo Đại học UC Riverside.