Các nhà khoa học khám phá một công tắc phân tử bảo vệ cây trồng khỏi lạnh giá

Sự xuất hiện của các cơn lạnh đột ngột có thể đe doạ sự sống của cây trồng, đặc biệt trong những giai đoạn phát triển sớm. Nhưng làm thế nào cây trồng có thể phát hiện nhiệt độ thấp đủ nhanh để kích hoạt những thay đổi giúp chúng sống sót? Các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Chonnam đã nhận diện một công tắc phân tử ẩn có thể nhanh chóng thiết lập lại sự phát triển của rễ để chịu được những điều kiện lạnh bất lợi.

Bài báo này được công bố trên Journal of Integrative Plant Biology. Nghiên cứu được dẫn dắt bởi giáo sư Jungmook Kim, Khoa Năng lượng Sinh học và Kỹ thuật, Đại học Quốc gia Chonnam, cùng với các nhà nghiên cứu Uyen Thu Nguyen, Na Young Kang, và tiến sỹ Dong Wook Lee cũng đến từ ĐH Quốc gia Chonnam.

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra căng thẳng lạnh kích hoạt sự phân huỷ nhanh chóng các protein auxin/indole acid acetic (Aux/IAA), thường ức chế việc kích hoạt các gen liên quan tới tăng trưởng. Một khi các chất ức chế này bị phá vỡ, các chất điều hoà chính ARF7 và ARF19 được phóng thích, cho phép chúng kích hoạt yếu tố phản ứng cytokin (CRF3), một chất điều hoá chính định hình lại kiến trúc rễ để thích ứng với các điều kiện lạnh.

Giáo sư Kim cho biết: “Căng thẳng lạnh không chỉ đơn giản làm chậm sự phát triển của thực vật – nó tích cực điều chỉnh tín hiệu hóc môn để thích nghi với sự phát triển của rễ”.

Nghiên cứu cũng cho thấy rằng những điều kiện lạnh kích hoạt tín hiệu cytokinin để tạo ra CRF2, họat động cùng với CRF3. Hai gen này hoạt động như là chất tích hợp, kết hợp các tín hiệu môi trường và tín hiệu hóc môn nội bộ để điều chỉnh sự khởi đầu của rễ dưới điều kiện căng thẳng. Điều này cũng xác định rằng các con đường auxin và cytokin hội tụ tại CRFs, hình thành một mô đun phản ứng lạnh thống nhất.

Giáo sư Kim nói thêm rằng: “Thực vật sống sót bởi vì chúng tích hợp căng thẳng bên ngoài với các chương trình phát triển bên trong. Chúng tôi đã nhận diện một trong những công tắc cho phép sự tích hợp đó”.

Những phát hiện này đã nhấn mạnh những cơ hội để bảo vệ cây trồng khỏi sự bất ổn khí hậu ngày càng tăng. Bằng cách tăng cường tín hiệu CRF2/CRF3 hoặc ổn định hoạt động của ARF thông qua việc phân huỷ có mục tiêu các Aux/IAAs, các nhà khoa học có thể phát triển cây trồng mà chúng có khả năng duy trì sự phát triển ổn định của rễ trong đất lạnh.

Những giống cây này có thể cải thiện sự thiết lập phát triển vụ mùa sớm, gia tăng hiệu quả hấp thu dinh dưỡng, và hỗ trợ nông nông nghiệp bền vững với việc giảm sử dụng phân bón. Nghiên cứu này cũng nhấn mạnh tiềm năng phát triển các phân tử tổng hợp hoặc chất kích thích sinh học có thể bảo vệ cây con trong những đợt lạnh cực đoan bất ngờ.

Trong thập kỷ tới, con đường phân tử này có thể giúp cho việc trồng trọt ở những nơi có khí hậu khắc nghiệt, và đóng vai trò nền tảng cho việc chọn tạo giống chính xác và kỹ thuật chỉnh sửa gen dựa trên CRISPR để tạo ra các giống cây trồng thích nghi với khí hậu.

Trương Thị Tú Anh theo Phys.org