Các nhà nghiên cứu tiết lộ cơ chế cảm biến nhiệt độ giúp thực vật duy trì nhịp sinh học

Hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự gia tăng dần nhiệt độ toàn cầu. Cơ chế thực vật cảm nhận sự thay đổi nhiệt độ và duy trì nhịp sinh học ổn định với chu kỳ khoảng 24 giờ vẫn còn nhiều điều chưa được làm rõ.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Developmental Cell, một nhóm nghiên cứu do Giáo sư WANG Lei (Vương Lỗi) từ Viện Thực vật học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã phát hiện ra rằng một loại protein chủ chốt trong thực vật, thành phần của đồng hồ sinh học có tên là PSEUDO-RESPONSE REGULATOR 9 (PRR9), đã tiến hóa để thích nghi với nhiệt độ và đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tín hiệu nhiệt độ nhằm duy trì sự chính xác về thời gian của cây.

Đồng hồ sinh học duy trì các nhịp điệu ổn định và bền vững ở nhiệt độ cao. Nguồn: HE Yuqing và WANG Lei.

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một mô-đun điều hòa gồm ba thành phần, phyB, PRR9 và ALKBH9B – hoạt động như một bộ phận cảm biến nhiệt độ và truyền tín hiệu. Mô-đun này truyền tín hiệu nhiệt độ vào bộ dao động nhịp sinh học cốt lõi và duy trì các hoạt động theo nhịp điệu hàng ngày ngay cả khi nhiệt độ thay đổi.

Ở nhiệt độ thấp hơn, phyB đóng vai trò như một "nhiệt kế" chính. Nó liên kết với PRR9 bên trong các cấu trúc gọi là "nuclear speckles" (các đốm trong nhân tế bào), cô lập PRR9 về mặt không gian để ngăn nó liên kết với các vùng khởi động (promoter) của các gen nhịp sinh học hoạt động vào buổi sáng – chẳng hạn như gen CIRCADIAN ASSOCIATED 1 (CCA1). Quá trình này làm suy yếu hoạt động ức chế phiên mã của protein PRR9 và trì hoãn giai đoạn ức chế phiên mã của nó. Khi nhiệt độ tăng lên, phyB và PRR9 tương tác và phân bố rộng khắp trong nhân tế bào, qua đó giải phóng sự ức chế chức năng của PRR9.

Khi thực vật tiếp xúc với điều kiện nhiệt độ cao kéo dài (ví dụ như sự thay đổi nhiệt độ theo mùa), các nhà nghiên cứu nhận thấy protein PRR9 tích tụ và ức chế CCA1 mạnh hơn. Đồng thời, PRR9 phối hợp với enzyme khử methyl m6A trên RNA là ALKBH9B tại tế bào chất; sự phối hợp này giúp loại bỏ biến đổi m6A trên mRNA của CCA1 và đẩy nhanh quá trình phân hủy mRNA này.

Sơ đồ minh họa mô-đun điều nhiệt dùng để duy trì nhịp thời gian. Nguồn: HE Yuqing và WANG Xiling.

Bằng cách kiểm soát chặt chẽ nồng độ CCA1 ở cả tế bào chất và nhân tế bào, PRR9 giúp duy trì chính xác chu kỳ đồng hồ sinh học ở mức khoảng 24 giờ, ngay cả trong điều kiện nhiệt độ cao.

Nghiên cứu này cho thấy đồng hồ sinh học của thực vật sở hữu các cơ chế cảm biến và điều hòa nhiệt độ cao tinh vi và phức tạp. Điều này giúp thực vật duy trì sự ổn định của các chức năng nhịp sinh học cốt lõi trong bối cảnh nhiệt độ không ngừng tăng lên, từ đó thích nghi tốt hơn với khí hậu đang ấm dần. Nghiên cứu này đặt nền tảng lý thuyết quan trọng cho việc tạo ra các giống cây trồng chịu nhiệt thông qua các phương pháp chọn tạo giống dựa trên thiết kế phân tử trong tương lai.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Hàn Lâm Khoa học Trung Quốc.