Các nhà khoa học khám phá vai trò mới của protein florigen trong quá trình ra hoa

Cây bắt đầu ra hoa để đáp ứng với các tín hiệu môi trường như độ dài ngày. Quá trình này liên quan đến một tín hiệu protein, florigen, được tạo ra trong lá và kích thích sự phát triển hoa ở đầu chồi. Các nhà nghiên cứu trong nhóm của George Coupland tại Viện nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng Max-Planck ở Cologne và các cộng sự của họ đã cố gắng làm sáng tỏ mô hình hiện có về cách florigen và hai protein khác tương tác ở đỉnh chồi để tạo thành phức hợp hoạt hóa florigen (FAC), có trách nhiệm kích hoạt các gen cần thiết cho sự hình thành hoa. Những phát hiện, được công bố trên tạp chí Nature, cho thấy rằng sau khi florigen di chuyển vào đầu chồi, sự hình thành FAC xảy ra trên DNA theo một trình tự sự kiện riêng biệt. Ngoài ra, các tác giả cho thấy rằng ngoài việc kích thích sự ra hoa, florigen còn có các chức năng độc lập sau này trong quá trình hình thành hoa.

Độ dài ngày điều chỉnh các chương trình phát triển của thực vật và đặc biệt là tạo ra sự chuyển đổi từ phát triển sinh dưỡng sang sinh sản. Nhận thức về độ dài ngày liên quan đến sự tổng hợp protein florigen của VÙNG RA HOA T (FT, Flowering locus T) trong lá, sau đó được vận chuyển đến mô phân sinh đỉnh chồi (SAM, shoot apical meristem), nơi nó được tích hợp vào phức hợp hoạt hóa florigen (FAC, florigen activation complex). Một mô hình lắp ráp FAC hiện tại đề xuất rằng các protein 14-3-3 hoạt động như các thụ thể cho protein FT tại SAM và sau đó làm trung gian cho tương tác gián tiếp giữa FT và protein thứ ba, FD, để tạo thành FAC, sau đó kích hoạt phiên mã các gen thúc đẩy sự hình thành hoa.

Nhóm các nhà khoa học tại Viện nghiên cứu giống cây trồng Max-Planck ở Cologne và cộng sự đã sử dụng phân tích đột biến và một loạt các kỹ thuật phát hiện biểu hiện gen, mô hình hóa và sinh hóa phức tạp để đề xuất một cơ chế đa diện mới hình thành nên FAC, đồng thời chứng minh cách các thành phần riêng lẻ điều chỉnh các chức năng riêng biệt trong quá trình cảm ứng ra hoa và phát triển hoa sớm.

Các tác giả đã sử dụng các phương pháp sinh hóa để chứng minh rằng mười protein 14-3-3 khác nhau tương tác với FD. Họ xác nhận rằng một axit amin threonine ở vị trí 282 ở đầu C của protein FD được phosphoryl hóa và rất cần thiết để làm trung gian cho tương tác của FD với 14-3-3. Khi không được phosphoryl hóa, protein FD tạo thành các chất ngưng tụ không hòa tan và không có chức năng trong nhân. Do đó, sự phosphoryl hóa FD cho phép nó hòa tan, tương tác với các protein 14-3-3 và liên kết với DNA. Tương tác của FD với các protein 14-3-3 cũng ổn định các dimer FD, có khả năng gây ra những thay đổi về cấu hình ở đuôi tại đầu C của FD giúp tăng cường liên kết DNA. Do đó, các protein 14-3-3 hoạt động như các protein giống chaperone giúp tăng cường hoạt động của FD ở nhiều cấp độ.

Hình 1. Cấu trúc mô hình của phức hợp FAC–DNA. Protein dimer FD được hiển thị màu xanh lá cây, protein FT màu xanh lam và protein 14-3-3 màu tím. Một chuỗi xoắn DNA màu xám ở phía trên.  © Coupland/MPIPZ.

Do tương tác giữa 14-3-3 và FT yếu hoặc không ổn định, các tác giả đưa ra giả thuyết rằng sự liên kết của phức hợp FD-14-3-3 với DNA có thể tạo ra các giao diện được FT nhận biết trực tiếp, mặc dù cho đến nay FT vẫn chưa được cho là tiếp xúc với FD và/hoặc DNA. Họ đã mô hình hóa phức hợp FAC–DNA, cho thấy sự tiếp xúc trực tiếp giữa ba gốc arginine tích điện dương ở đuôi FT và DNA tích điện âm (Hình 1). Họ đã đột biến các gốc này và chứng minh rằng thực sự, thứ mà họ gọi là giao diện 1 ở đuôi C-terminal của FT có liên quan đến việc tuyển dụng FT vào phức hợp DNA-FD-14-3-3 bằng cách tương tác trực tiếp với DNA. Họ cũng chứng minh rằng một giao diện thứ hai của các axit amin rất quan trọng cho sự tương tác giữa florigen lúa và protein 14-3-3 là cần thiết trong FT để tuyển dụng FT bởi phức hợp DNA-FD-14-3-3 ở Arabidopsis. Kết luận quan trọng từ các thí nghiệm này là phức hợp FD-14-3-3 trước tiên phải liên kết với DNA để tuyển dụng FT.

Hình 2. Protein FT (màu vàng) và protein FD (màu đỏ tươi) chồng lên nhau trong các tế bào riêng lẻ ở mô phân sinh đỉnh chồi của Arabidopsis tại thời điểm chuyển tiếp ra hoa. © Coupland/MPIPIZ.

Một định lượng chi tiết về biểu hiện của các protein FD và FT được gắn huỳnh quang ở cấp độ tế bào tại các vùng khác nhau của SAM đã được thực hiện để xác nhận chính xác mức độ chồng chéo của chúng. Ngoài ra, các tác giả đã sử dụng kỹ thuật lai ghép RNA in situ dựa trên huỳnh quang (RNAscope) để hình dung sự tích tụ theo không gian-thời gian của các bản phiên mã FD và FT ở các vùng khác nhau của SAM và giai đoạn hoa nguyên thủy (Hình 2). Nhìn chung, các phân tích protein và mRNA đã xác nhận rằng FT hiện diện trong cùng các tế bào với protein FD và 14-3-3 ở các giai đoạn khác nhau của quá trình cảm ứng hoa tại SAM để cho phép hình thành FAC.

Một phát hiện bất ngờ là mRNA FT cũng được phát hiện tích tụ tại ranh giới của mầm mới hình thành, đầu tiên ở mặt trên của lá gốc, sau đó là ở mặt trên của mầm hoa và cuối cùng, bên dưới vùng biểu hiện của APETALA1, đại diện cho ranh giới với lá bắc bị ức chế. Điều này có nghĩa là nó cũng chồng lên FD và cho phép hình thành FAC trong giai đoạn đầu của quá trình phát triển hoa.

Tầm quan trọng chính của nghiên cứu nằm ở ba phát hiện chính: thứ nhất, chứng minh tầm quan trọng của chức năng 14-3-3 đối với hoạt động của FD ở một số cấp độ điều hòa; thứ hai, xác định hai giao diện quan trọng liên kết FT với DNA và phức hợp DNA-FD-14-3-3, và thứ ba, mô hình động của sự tích tụ FT trong SAM và mRNA FT ở nguyên thủy cơ quan bên.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max-Planck.