Các nhà khoa học xác định sterol thiết yếu đối với sự tích lũy dầu trong cây trồng

Các nhà khoa học phát hiện ra một đột biến khiến cây Arabidopsis bình thường (trái) bị thiếu sterol (phải). Họ đã thực hiện các thí nghiệm di truyền và sinh hóa mở rộng để thiết lập vai trò thiết yếu của sterol trong việc hình thành các giọt dầu. Nguồn: Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven.

Các nhà khoa học đang tìm cách làm sáng tỏ các chi tiết về cách các cây trồng sản xuất và tích lũy dầu đã xác định được một thành phần thiết yếu mới của dây chuyền kết hợp. Họ đã phát hiện ra một sterol đặc biệt đó là một phân tử liên quan đến cholesterol, nó đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các giọt dầu.

Changcheng Xu, trưởng nhóm nghiên cứu, một nhà sinh vật học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cho biết: “Nghiên cứu này mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về các yếu tố phân tử chi phối sự hình thành các giọt lipid, là bào quan quan trọng để lưu trữ và chuyển hóa dầu ở tất cả các sinh vật nhân chuẩn”, kết quả được công bố trên tạp chí Nature Communications có thể gợi ý những cách mới để thiết kế hàm lượng dầu chứa ở nhiều loại mô thực vật.

Công trình này có thể đặc biệt quan trọng trong việc cung cấp thông tin về các chiến lược kỹ thuật di truyền nhằm tăng hàm lượng dầu trong bộ phận lá và thân cây. Các nhà khoa học cho biết các mô thực vật này thường không tích lũy dầu, nhưng chúng có thể được thiết kế như một nguồn cung cấp dầu bền vững, dồi dào để sản xuất nhiên liệu sinh học và các sản phẩm hàng hóa khác.

Các kết quả cũng áp dụng cho sự tích lũy dầu trong hạt thực vật, nơi trọng yếu mà dầu tích lũy một cách tự nhiên trong thực vật. Những nguồn chứa dầu thực vật tự nhiên này cung cấp dinh dưỡng cho phôi và cây con, cũng tương tự như động vật và con người.

Xu đã cho biết: “Chúng tôi phát hiện ra rằng một sự thiếu hụt của một loại sterol cụ thể gây ra sự giảm tích lũy dầu trong hạt và lá.

Tín hiệu xanh cho việc sản xuất dầu

Xu và nhóm nghiên cứu của ông đã làm việc trong nhiều năm để làm tăng sự tích lũy dầu trong lá và thân cây.

Ông lưu ý: “Lá so với hạt giống như một nguyên liệu năng lượng sinh học, nhưng dồi dào hơn nhiều”. Ngoài ra, do dầu trong hạt được sử dụng làm thực phẩm, chúng tôi đang nghiên cứu để tích lũy dầu và các sản phẩm sinh học hàng hóa khác trong các bộ phận không phải hạt của cây ví dụ như lá và thân, để tránh sự cạnh tranh giữa thực phẩm và nhiên liệu.

Nhóm nghiên cứu đã đạt được một số bước tiến trong việc giúp lá cây tích lũy một lượng dầu đáng kể, khi sử dụng cây Arabidopsis thông thường trong phòng thí nghiệm.

Họ đã theo dõi sự tích lũy dầu. Thông qua kỹ thuật di truyền, họ đã tạo ra ở cây Arabidopsis trong đó một protein huỳnh quang màu xanh lá cây luôn được gắn với một protein gọi là oleosin. Oleosin chỉ tích lũy trên bề mặt giọt lipid, nó tạo thành một phần của màng bao quanh các ngăn chứa dầu này trong tế bào để giúp ổn định chúng. Nếu một mẫu mô thực vật như lá, thân hoặc hạt, chứa các giọt lipid, chúng sẽ nổi bật như những chấm nhỏ màu xanh lục dưới kính hiển vi huỳnh quang.

Xu cho biết: “Chúng tôi đã xử lý các cây Arabidopsis bằng một chất gây đột biến để cố gắng kích hoạt các đột biến làm tăng tích lũy dầu”, việc sử dụng kỹ thuật huỳnh quang để xác định các chủng có nhiều chấm xanh hơn và/hoặc lớn hơn.

Trớ trêu thay, họ đã phát hiện ra sterol trong một chủng Arabidopsis mà hầu như không tích lũy dầu.

Xu đã cho biết: “Mục đích chính của công việc hiện tại là tìm ra sự biến đổi gen nào đã gây ra sự sụt giảm nghiêm trọng về lượng dầu tích lũy này. Chúng tôi nghĩ rằng việc theo dõi gen này có thể cung cấp cho chúng ta một số gen/protein mới quan trọng trong việc hình thành hoặc tích lũy giọt lipid”.

Manh mối để kết hợp các phần bên trong

Ở quy mô hiển vi, các nhà khoa học biết rằng các giọt lipid hình thành trong "lưới nội chất" của tế bào. Đó là một mạng lưới nội bộ của các màng bên trong tế bào (không phải màng bao quanh tế bào) hoạt động giống như một loại nhà máy, kết hợp kết nối và đóng gói các vật liệu khác nhau như protein và lipid.

Các giọt lưu trữ lipid hình thành khi dầu bắt đầu tích lũy giữa hai lớp của màng ER (endoplasmic reticulum, lưới nội chất), nhưng chỉ ở một số vùng nhất định của ER. Cuối cùng, khi có đủ dầu hiện diện, các mảnh màng nhỏ bị chụm lại khiến dầu được bao bọc trong các ngăn khép kín.

Nghiên cứu tại Brookhaven cho thấy, việc nghiên cứu một loài thực vật không tích lũy các giọt lipid này có thể cung cấp manh mối về các yếu tố sinh hóa thúc đẩy quá trình và điều độc đáo về các vùng ER cụ thể nơi đó nó xảy ra.

Khai thác gen

Để tìm ra đột biến nào gây ra sự sụt giảm đáng kể trong tích lũy dầu, nhóm Brookhaven đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là nhân bản vị trí, như một cách tìm kiếm mọi vùng của nhiễm sắc thể để xác định một gen cụ thể chịu trách nhiệm cho một đặc điểm quan tâm. Kỹ thuật này đã thu hẹp phạm vi tìm kiếm đến một vùng cụ thể trên một trong các nhiễm sắc thể của cây.

Xu đã cho biết: “Vùng này vẫn chứa hàng trăm gen ứng cử viên”. Sau khi sử dụng giải trình tự toàn bộ bộ gen để tìm kiếm bất kỳ đột biến nào trong vùng này, nhóm nghiên cứu đã xác định được một gen mà họ nghi ngờ có liên quan. Gen mã hóa cho một enzym chịu trách nhiệm cho một bước sinh hóa trong quá trình tổng hợp nhiều bước sterol, một phân tử liên quan đến cholesterol được tìm thấy trong ER và các màng tế bào khác.

Bằng cách "loại bỏ" một cách có chọn lọc phiên bản bình thường (không bị đột biến) của gen này, các nhà khoa học đã có thể nhân đôi tác động của đột biến. Điều đó có nghĩa là thực vật có gen bị loại bỏ tích lũy không có giọt lipid. Ngoài ra, việc bổ sung trở lại gen không bị thay đổi đã khôi phục sự tích tụ giọt dầu.

Xu đã cho biết: “Thí nghiệm này đã cung cấp bằng chứng rõ ràng rằng sterol đóng một vai trò thiết yếu trong việc hình thành các giọt dầu”.

Tuy nhiên các nhà khoa học đã đi xa hơn. Họ cũng nghiên cứu điều gì sẽ xảy ra nếu họ đột biến gen cho các enzym "ngược dòng" từ enzym đặc biệt này trong con đường tổng hợp sterol nhiều bước. Và họ đã đo nồng độ sterol trong những đột biến này.

Các nghiên cứu chi tiết cho phép họ không sử dụng loại sterol cụ thể mà khi thiếu sẽ dẫn đến sự tích lũy dầu thấp.

Các đột biến ở các gen giống nhau đã làm giảm sự tích lũy dầu ở lá và hạt. Trong hạt, nơi đó các giọt lipid dễ nhìn thấy hơn, các nhà khoa học cũng tiến hành các nghiên cứu định lượng về hình dạng và kích thước của chúng.

Kết quả cùng nhau cung cấp bằng chứng về vai trò chung của sterol đặc biệt này trong việc hình thành giọt lipid.

Xu cho biết: “Chúng tôi tin rằng sterol này rất quan trọng đối với sự hình thành của một miền vi mô trong màng ER có liên quan đến sự hình thành các giọt lipid. Sự thiếu hụt sterol dẫn đến một khiếm khuyết trong việc hình thành một miền vi mô như vậy”.

Bây giờ họ đã biết điều gì sẽ xảy ra khi các gen này bị tắt, các nhà khoa học đề xuất các chiến lược để kích hoạt chúng và tăng cường biểu hiện của chúng có thể là một cách để tăng tích tụ dầu trong lá, thân hoặc hạt.

Nhóm sẽ khám phá những chiến lược này trong các thử nghiệm trong tương lai.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org