AKT5 là một kênh Kali thực thụ và kiểm soát sự phát triển cuống lá ở cây ARABIDOPSIS

Các nhà nghiên cứu đã xác định được phân tử "bàn tay xanh" thúc đẩy sự phát triển cuống lá ở thực vật.

Kali (K) là một trong ba chất dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật. Nó đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình, bao gồm sự phát triển tế bào, quang hợp và điều hòa cân bằng nước. Thực vật hấp thụ K từ đất và lưu thông khắp cơ sở thông qua các phân tử gọi là kênh K⁺ . Chức năng của một kênh K⁺ như vậy (gọi là AKT5) trong cây mô hình Arabidopsis thaliana vẫn là một bí mật ẩn, mặc dù đã được nghiên cứu hơn 30 năm. Hiểu được các "cửa ngõ" vận hành chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự sống của thực vật là rất quan trọng để tìm ra những cách mới nhằm tăng năng suất nông nghiệp.

Để thử nghiệm giải đáp bí mật này, phòng thí nghiệm Uozumi tại Đại học Tohoku đã xác định hoạt động kênh K⁺ của AKT5 từ cây Arabidopsis. Đây là lần đầu tiên nghiên cứu tiết lộ chức năng thực sự của AKT5. Về mặt sinh lý, AKT5 cố gắng thúc đẩy sự phát triển của nhánh lá, mang lại những hiểu biết mới trong việc phát triển các hệ thống có hiệu quả cao về bảo mật.

Nobuyuki Uozumi giải thích: "Cuống lá là thành phần ăn được của nhiều loại rau, như cần tây và cải ngựa. Bằng cách điều chỉnh hoạt động của AKT5 trong các loại cây này, có thể điều chỉnh kích thước và cấu hình của cuống lá để đáp ứng nhu cầu của người dùng tiêu dùng".

Nhóm nghiên cứu đã cố gắng phát hiện hoạt động vận chuyển K⁺ của AKT5 bằng cách sử dụng hệ thống biểu hiện tế bào động vật. Ban đầu, không phát hiện thấy hoạt động nào. Tuy nhiên, khi một loại enzyme đặc hiệu có chức năng gắn nhóm phosphate vào protein được đưa vào cùng với AKT5, hoạt động vận chuyển K⁺ đã được phát hiện lần đầu tiên. Hóa ra, AKT5 được kích hoạt khi một nhóm phosphate gắn vào một axit amin cụ thể trong protein, đó là lý do tại sao không có hoạt động nào khi chỉ thêm K⁺ đơn thuần.

Dòng điện được tạo ra bởi AKT5 khi được kích hoạt bởi một loại enzyme cụ thể. Các ion K⁺ mang điện tích, vì vậy khi chúng di chuyển vào tế bào, sự di chuyển này có thể được phát hiện dưới dạng dòng điện © Y. Muraoka và cộng sự, Sci. Adv. (2026) (Bên trái AKT5 không hoạt động, bên phải hoạt động vận chuyển của K⁺).

Để hiểu rõ hơn về cách AKT5 được kích hoạt, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử đông lạnh (Cryo) để xác định cấu trúc ba chiều của nó ở trạng thái trước khi mở và đóng. AKT5 có hình dạng rất giống với các kênh K⁺ khác đã biết, nhưng nó có thể biến đổi. Trên thực tế, khi một axit amin duy nhất trong AKT5 được thay đổi (axit aspartic ở vị trí 403 được thay thế bằng alanin), cấu trúc của phân tử đã thay đổi đáng kể, và AKT5 có được hoạt tính vận chuyển K⁺ ngay cả khi không bị phosphoryl hóa. Những phát hiện này cho thấy rằng AKT5 thường có hình dạng không hoạt động, và khi bị phosphoryl hóa, nó trải qua một sự thay đổi cấu trúc tập trung xung quanh axit amin thứ 403, chuyển sang hình dạng hoạt động có thể vận chuyển K⁺.

Cấu trúc ba chiều của phân tử AKT5. Bên trái: AKT5 bình thường ở trạng thái không hoạt động. Bên phải: AKT5 được biến đổi (D403A) với sự thay đổi một axit amin duy nhất, có hình dạng hoạt động và có thể vận chuyển ion K⁺ mà không cần phosphoryl hóa. © Y. Muraoka và cộng sự, Sci. Adv. (2026).

Để nghiên cứu vai trò của AKT5 trong thực vật, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra vị trí của AKT5. Họ phát hiện ra rằng ở thực vật, AKT5 tập trung ở cuống lá - cấu trúc mảnh mai nối lá với thân cây. Khi phân tích các cây thiếu AKT5, cuống lá của chúng ngắn hơn bình thường. Cuống lá rất quan trọng để định vị lá nhằm thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu quả, điều này đặc biệt quan trọng trong điều kiện trồng trọt hạn hẹp. Khi cây thiếu AKT5 được trồng trong điều kiện chật chội, sự phát triển của chúng bị giảm và chúng trở nên nhỏ hơn so với cây bình thường. Những kết quả này cho thấy AKT5 thúc đẩy sự kéo dài tế bào ở cuống lá bằng cách hấp thụ K⁺, làm tăng áp suất bên trong tế bào và do đó làm kéo dài cuống lá.

Chiều dài cuống lá (A) và sự sinh trưởng trong điều kiện mật độ cây trồng cao (B) ở cây bình thường và cây thiếu AKT5. (A) Cây thiếu AKT5 có cuống lá ngắn hơn so với cây bình thường. (B) Khi được trồng trong điều kiện mật độ cao, cây thiếu AKT5 cho thấy sự sinh trưởng giảm và kích thước nhỏ hơn so với cây bình thường. © Y. Muraoka et. al., Sci. Adv. (2026).

AKT5 là một phân tử quan trọng giúp cây trồng cạnh tranh trong môi trường canh tác mật độ cao. Hiểu sâu hơn về cách thức hoạt động của AKT5 trong cây trồng và học cách kiểm soát hoạt động của nó có thể giúp chúng ta trồng trọt với mật độ cao mà không làm giảm năng suất. Những phát hiện này được kỳ vọng sẽ tạo nền tảng quan trọng để giải quyết các thách thức toàn cầu như tăng dân số và thiếu đất nông nghiệp.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances vào ngày 2 tháng 9 năm 2026.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Tohoku.