Các nhà nghiên cứu tiết lộ mô-đun định hình hố duy trì thủy lực mạch gỗ và năng suất hạt lúa

Xác định gen QTL PS1 để kiểm soát kích thước hố mạch gỗ trong quá trình điều hòa vận chuyển mạch gỗ và năng suất hạt ở cây lúa mô hình. Nguồn: IGDB.

Hố mạch gỗ là những lỗ nhỏ trên thành tế bào của các tế bào dẫn nước—với hình dạng hố ảnh hưởng đến năng suất cây trồng thông qua tác động của nó lên thủy lực thực vật và vận chuyển nitơ.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Di truyền học và Sinh học Phát triển (IGDB) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc hiện đã tiết lộ cấu trúc ba chiều (3D) hoàn chỉnh của hố mạch gỗ ở lúa và xác định được một mô-đun điều hòa quan trọng, MYB61-PS1, định hình cấu trúc 3D của hố ở lúa.

Những phát hiện này, được công bố trên tạp chí Cell vào ngày 14 tháng 10, chứng minh rằng hình dạng 3D của hố mạch được kiểm soát chính xác thông qua quá trình deacetyl hóa xylan xung quanh viền hố, được điều hòa bởi mô-đun phân tử MYB61-PS1. Đổi lại, hình dạng tối ưu này giúp cải thiện năng suất bằng cách duy trì thủy lực mạch gỗ và tạo điều kiện thuận lợi cho vận chuyển nitơ.

Tóm tắt đồ họa về hình dạng hố mạch trong quá trình vận chuyển mạch gỗ và năng suất hạt ở lúa. Nguồn: IGDB.

Sử dụng kính hiển vi điện tử quét, các nhà nghiên cứu, dẫn đầu bởi giáo sư ZHANG và ZHOU Yihua đã nghiên cứu các biến thể hố mạch ở các mẫu lõi than lúa, phát hiện ra một loạt các biến thể kích thước hố. Phân tích liên kết toàn bộ hệ gen đã xác định PS1 là gen QTL chính kiểm soát kích thước hố. PS1 mã hóa một enzyme deacetylase xylan và vai trò của nó trong việc kiểm soát kích thước hố và thủy lực mạch gỗ đã được xác nhận về mặt di truyền.

Để làm rõ chi tiết cấu trúc của các hố do alen PS1 tạo thành, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét chùm ion hội tụ để tái tạo cấu trúc hố 3D hoàn chỉnh ở cấp độ nano, cho thấy độ cong phức tạp của cấu trúc khoang hố. Hơn nữa, phần hẹp nhất (khe hố) được xác định là yếu tố quyết định thủy lực mạch gỗ. Đáng chú ý, họ phát hiện ra rằng PS1 Hap2 (kiểu gen đơn bội 2) tạo ra các lỗ hố nhỏ hơn so với PS1 Hap1 (kiểu gen đơn bội 1), dẫn đến hiệu quả vận chuyển mạch gỗ cao hơn.

Để làm rõ chức năng sinh học của PS1, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống sàng lọc nhanh để thu được các kháng thể có khả năng phân biệt các trạng thái acetyl hóa xylan khác nhau tại chỗ và phát hiện ra rằng các xylan tập trung ở rìa hố có mức acetyl hóa thấp, điều này đã được xác nhận bằng kính hiển vi siêu phân giải và phân tích tại chỗ không nhãn của kính hiển vi Raman kích thích độ phân giải cao.

Các xét nghiệm nối tiếp cho thấy PS1 Hap2 thể hiện hoạt tính deacetylase mạnh hơn PS1 Hap1 do biến thể axit amin (V163A). Protein PS1 Hap2 tạo ra xylan có mức độ acetyl hóa thấp hơn, liên kết với cellulose với ái lực cao hơn, do đó tạo điều kiện cho các sợi nano cellulose đóng gói tại các rìa hố để tạo thành các hố có lỗ nhỏ hơn.

Các xét nghiệm xử lý nitơ tiếp theo cho thấy cây lúa mang PS1 Hap2 thể hiện hiệu quả vận chuyển nitơ được cải thiện đáng kể, dẫn đến tăng năng suất hạt trong các điều kiện nitơ khác nhau. Do đó, PS1 Hap2 là một haplotype ưu tú. Phân tích mạng haplotype cho thấy sự khác biệt rõ ràng về PS1 giữa hai phân loài lúa chính là indica và japonica. Hap2 ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các giống Indica hiện đại nhưng hiếm khi được sử dụng trong lai tạo các giống Japonica.

Ngoài ra, việc đưa gen PS1 Hap2 vào hai giống Japonica, Wuyujing 3 và Wumijing, đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể năng suất hạt, cho thấy tiềm năng to lớn của nó trong lai tạo.

Bất ngờ thay, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng nitơ điều chỉnh kích thước hạt thông qua PS1 dưới sự kiểm soát của MYB61, một gen QTL về hiệu quả sử dụng nitơ. Việc sắp xếp kim tự tháp cả hai alen ưu tú có thể tối ưu hóa hơn nữa hình dạng hạt và do đó làm tăng đáng kể năng suất hạt ở lúa.

Nghiên cứu này đã xác định PS1 là gen QTL đầu tiên kiểm soát kích thước hố trong mạch gỗ và tiết lộ cơ chế phân tử mà PS1 khử acetyl các xylan được định sẵn cho các ranh giới hố để điều phối liên kết chéo cellulose-xylan và lắp ráp sợi nano, từ đó định hình các hố và do đó điều chỉnh sự vận chuyển xylem và năng suất hạt ở lúa. Nghiên cứu cũng khơi nguồn cảm hứng cho những suy nghĩ mới về cách các phân tử tín hiệu điều chỉnh tính dẻo của cấu trúc tế bào mạch gỗ.

Những phát hiện này cung cấp một chiến lược nghiên cứu đa quy mô, bao gồm các cấp độ phân tử từ gen đến các đại phân tử polysaccharide, từ cấu trúc siêu nhỏ dưới tế bào đến tế bào và mô, và cuối cùng là toàn bộ cây trồng, từ đó tạo điều kiện cho sự đổi mới công nghệ hướng tới nông nghiệp bền vững.

Lê Thị Kim Loan theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.