Các nhà nghiên cứu khám phá cách cây đáp ứng với sự thay đổi ánh sáng ở mức độ phân tử

Các nhà khoa học tại UC Riverside đã xác định được cơ chế phân tử mà theo đó các thụ thể cảm quang gọi là phytochromes kiểm soát sự tăng trưởng và phát triển của thực vật. Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong nông nghiệp, nơi mà nông dân muốn thu hoạch được nhiều nông phầm trên diện tích đất nhỏ.

Cây không có mắt, nhưng chúng có thể "nhìn" thấy môi trường xung quanh chúng bằng ánh sáng.

Điều này được thực hiện bởi những protein gọi là thụ thể cảm quang (photoreceptor) hấp thụ ánh sáng và biến đổi nó thành tín hiệu để bật hoặc tắt gen. Cho đến nay, các nhà khoa học chưa hiểu rõ cơ chế phân tử của quá trình này, cho phép thực vật nhận ra khi chúng đang ở trong bóng râm và phát triển về phía mặt trời, và cảm nhận được thời điểm nào nó có thể nở vào mùa xuân.

Các nhà nghiên cứu ở Đại học California, Riverside đã xác định được phần của một thụ thể cảm quang chịu trách nhiệm về các thay đổi liên quan đến ánh sáng trong biểu hiện gen, được trình bày trong một bài báo đăng trên Nature Communications. Cuộc nghiên cứu này do Meng Chen, giáo sư sinh học tế bào của trường Cao đẳng Khoa học tự nhiên và Nông nghiệp UCR dẫn đầu.

Chen và các cộng sự của ông đã nghiên cứu một nhóm các thụ thể cảm quang được gọi là phytochromes nhạy cảm với ánh sáng màu đỏ và đỏ xa;  chúng  bảo tồn ở thực vật, nấm và vi khuẩn. Nghiên cứu được thực hiện trên cây Arabidopsis thaliana, một cây có hoa nhỏ được các nhà sinh vật học sử dụng rộng rãi như một loài cây mô hình vì nó dễ trồng và nghiên cứu.

Phytochrome kiểm soát sự tăng trưởng và phát triển cây trồng bằng cách thay đổi số lượng hoặc sự ổn định của một nhóm protein khác gọi là các yếu tố phiên mã mà công việc của chúng là bật và tắt gen. Để tìm ra cách mà thụ thể cảm quang điều hòa số lượng yếu tố phiên mã, nhóm nghiên cứu của Chen đã chú ý tới cấu trúc của phytochrome, có hai vùng chức năng được gọi là các domain.

Domain (gọi là module đầu cuối  N)  đươc biết có khả năng cảm nhận ánh sáng, còn  chức năng của domain khác (còn gọi là module đầu cuối  C) vẫn còn chưa được biết. Hầu hết các nhà khoa học không tin rằng module đầu cuối C đóng một vai trò quan trọng trong việc báo hiệu sự thay đổi biểu hiện gen ở thực vật, nhưng Chen không đồng ý.

Chúng ta biết rằng trong các vi khuẩn sử dụng một protein tương tự như thụ thể cảm quang và module đầu cuối N điều hòa sự ổn định của các yếu tố phiên mã. Tuy nhiên, mô hình hiện tại trong thực vật là thụ thể cảm quang sử dụng module đầu cuối N để cảm nhận và phản ứng với các tín hiệu ánh sáng môi trường ", Chen nói.

Nhóm của Chen cho thấy module đầu cuối C thực sự điều hòa sự biểu hiện gen, mặc dù nó sử dụng một phương pháp rất khác với vi khuẩn.

Chen cho biết những phát hiện này  có ý nghĩa quan trọng trong  nông nghiệp, nơi mà nông dân ngày càng muốn thu hoạch được nhiều nông phẩm trên diện tích canh tác nhỏ. Ví dụ, khi cây trồng được trồng ở mật độ cao, chúng cạnh tranh với ánh sáng, thường phát triển cao hơn đồng nghĩa với việc giảm năng suất.

"Bây giờ chúng ta hiểu được ánh sáng đang gây ra sự thay đổi trong tăng trưởng và phát triển của cây trồng, chúng ta có thể tạo ra cây trồng mà chúng không cảm nhận được các cây bên cạnh chúng, do đó chúng ta có thể trồng chúng dày đặc hơn mà không giảm sản lượng ", Chen nói. "Chúng ta có thể trồng các loại cây  phát triển tốt ở một điều kiện thổ nhưỡng nhất địnnh nào đó và thay đổi chúng để có thể phát triển ở các vĩ độ và khí hậu khác".

Bùi Anh Xuân theo Phys.org