Trong cây Arabidopsis đột biến, một chất trung gian trong tổng hợp diệp lục tích lũy trong bóng tối. Khi tiếp xúc với ánh sáng, hợp chất này tạo ra oxy nhóm đơn. Anh: Vasiliy Koval / AdobeStock.

Quang hợp sinh học - quá trình bức xạ mặt trời được chuyển đổi thành năng lượng hóa học - được thực hiện bởi vi khuẩn lam, tảo và thực vật, và rất quan trọng để duy trì sự sống của động vật trên Trái đất. Ở thực vật, quá trình quang hợp diễn ra ở các bào quan chuyên biệt gọi là lục lạp, được tìm thấy trong lá. Lục lạp phát triển từ vi khuẩn quang hợp, được kết hợp vào các tế bào có nhân như là cộng sinh. Trong quá trình tiến hóa, hầu hết các gien mà chúng mang theo đã được chuyển đến nhân của vật chủ, nhưng lục lạp hiện tại vẫn giữ lại một bộ gien nhỏ rất cần thiết cho quá trình quang hợp. Do đó, quá trình quang hợp ở thực vật đòi hỏi phải trao đổi thông tin rộng rãi giữa nhân và lục lạp. Sự liên quan này là rất phức tạp.

Sử dụng cây cải xoong (Arabidopsis thaliana) làm hệ thống mô hình, các nhà sinh học LMU do Privatdozentin, Tiến sĩ Tatjana Kleine dẫn đầu đã mô tả một con đường truyền tín hiệu chưa biết trước đây góp phần quan trọng vào khả năng chịu stress và ngăn chặn cái chết của tế bào. Con đường này có khả năng có thể được khai thác để cải thiện khả năng chống stress trong cây trồng. Nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí PNAS.

Sự tiếp xúc của thực vật với mức độ ánh sáng quá cao chắc chắn sẽ tạo ra oxy phản ứng (ROS), chẳng hạn như oxy nhóm đơn (1O2) trong lục lạp lá. Ở nồng độ cao, ROS gây độc cho tế bào, nhưng chúng cũng đóng vai trò là tín hiệu báo động kích hoạt các biện pháp đối phó. Kleine nói: Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng oxy nhóm đơn đóng vai trò là một phân tử tín hiệu và kích hoạt phản ứng căng thẳng có thể dẫn đến sự ngừng tăng trưởng hoặc thậm chí gây chết tế bào. Bước tiếp theo rõ ràng là xác định các protein liên quan đến rơle tín hiệu cảm ứng 1O2.

Trong các thí nghiệm, Kleine và các đồng nghiệp đã sử dụng một đột biến kép (cúm ex1) của Arabidopsis thaliana. Đột biến cúm cho phép sản xuất oxy nhóm đơn được kích hoạt một cách có kiểm soát bằng cách tiếp xúc với ánh sáng, trong khi đột biến ex1 làm vô hiệu một gien có tên EXECUTER1. Protein EXECUTER1 được biết là cần thiết để gây chết tế bào. Do đó, đột biến ex1 cho phép nồng độ oxy nhóm đơn tăng lên mà không gây chết tế bào.

Để xác định các gien khác liên quan đến tín hiệu phụ thuộc 1O2, nhóm nghiên cứu đã đột biến chủng cúm ex1 một lần nữa và sàng lọc các đột biến trong đó phản ứng chết tế bào với 1O2 được phục hồi. Thiết kế thử nghiệm này đã tiết lộ rằng một protein có tên SAFEGUARD1 bảo vệ đột biến kép khỏi những hậu quả nghiêm trọng của việc tích tụ oxy nhóm đơn.

Liangsheng Wang, tác giả chính của bài báo mới giải thích: “Việc vô hiệu hóa gien SAFE1 trong đột biến kép một lần nữa dẫn đến chết tế bào. Điều quan trọng, đây không phải là do sự điều chỉnh của EXECUTER1. Do đó, gien SAFE1 phải mã hóa cho một thành phần của con đường truyền tín hiệu độc lập và chưa biết trước đó”.

Đáng chú ý, việc mất SAFE1 có liên quan đến thiệt hại cho các ngăn xếp màng (được gọi là grana) trong đó xảy ra các phản ứng điều khiển ánh sáng. Do đó, các tác giả đề xuất rằng 1O2 được tạo ra ở lề grana sẽ kích hoạt rơle tín hiệu độc lập EXECUTER1 và SAFE1 thường ngăn chặn con đường này bằng cách bảo vệ lề grana khỏi bị hư hại.

Trong số tất cả các loại ROS được tạo ra khi tiếp xúc với mức ánh sáng cao, oxy nhóm đơn là yếu tố gây quang hợp nhất. Là một chất ức chế hiệu quả của phản ứng căng thẳng gây ra bởi sự tích tụ oxy đơn, SAFE1 đại diện cho một điểm khởi đầu đầy hứa hẹn cho những nỗ lực để tăng cường khả năng chống stress trong cây trồng. Kleine nói: Có lẽ sự biểu hiện quá mức của protein sẽ làm cho thực vật chịu đựng được mức độ oxy đơn lẻ được tạo ra dưới ánh sáng mặt trời gay gắt.