Các nhà nghiên cứu xác định protein tiến hóa giúp thực vật trên cạn phát triển mạnh

Các nhà sinh học thực vật tiến hóa, Đại học Toronto, đã xác định được một loại protein đã tiến hóa cách đây khoảng 500 triệu năm, cho phép thực vật chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng thông qua quá trình quang hợp khi chúng di chuyển từ môi trường nước lên cạn.

Khám phá này cung cấp mục tiêu cho thuốc diệt cỏ bền vững chống lại thực vật ký sinh và các loại cỏ dại khác và có thể giúp tăng cường an ninh lương thực bằng cách tăng hiệu quả quang hợp ở cây trồng.

Sử dụng phân tích bộ gen và chỉnh sửa gen CRISPR, các nhà nghiên cứu đã xác định được Shikimate kinase-like 1 (SKL1) là một protein có trong tất cả các loài thực vật trên cạn - nhưng không có ở bất kỳ sinh vật nào khác - và chứng minh rằng protein này tiến hóa từ enzyme Shikimate kinase (SK) để đóng vai trò thiết yếu trong việc hình thành lục lạp cần thiết cho quá trình quang hợp.

Michael Kanaris, tác giả chính của bài báo được công bố gần đây trên  Molecular Biology and Evolution, cho biết: "Một trong những câu hỏi cơ bản mà chúng tôi nghiên cứu trong nghiên cứu này là: những sự kiện ban đầu nào đã góp phần khiến các sinh vật thủy sinh đơn giản di chuyển lên cạn".

Vai trò của SKL1 trong quá trình sinh tổng hợp lục lạp trước đây đã được xác định ở Arabidopsis, một loài thực vật có hoa được nghiên cứu rộng rãi trong các phòng thí nghiệm hiện đại. Tuy nhiên, chức năng sinh học của SKL1 vẫn chưa được xác định ở các loài thực vật trên cạn nguyên thủy.

Kanaris đã tiến hành nghiên cứu cùng giáo sư Dinesh Christendat tại Khoa Sinh học Tế bào & Hệ thống thuộc Khoa Nghệ thuật & Khoa học, nơi tập trung nghiên cứu sự tiến hóa của các chức năng protein mới. Khi lỗi sao chép DNA dẫn đến hai bản sao giống hệt nhau của một protein, một bản sao có thể đảm nhận các chức năng mới khi sinh vật thích nghi với môi trường thay đổi qua hàng triệu năm tiến hóa.

Một ví dụ là protein SKL1 ở thực vật có hoa, ban đầu là bản sao của protein SK, nhưng sau đó đã có được một chức năng mới. Nghiên cứu trước đây của Christendat xác định rằng thực vật có hoa - tiến hóa khoảng 130 triệu năm trước - bị còi cọc và bạch tạng do thiếu SKL1 do sự phát triển lục lạp khiếm khuyết, làm suy yếu quá trình quang hợp.

Hình ảnh cây giống Arabidopsis bình thường và cây giống Arabidopsis bạch tạng. Cây giống bạch tạng skl1-8 bị thiếu hoạt động của protein SKL1. Nguồn: Thanh Nguyễn.

Để tìm hiểu sâu hơn về quá trình tiến hóa của thực vật trên cạn, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR để phá vỡ chức năng của gen SKL1 ở các loài địa tiền thảo phổ biến, một trong những loài thực vật đầu tiên xâm chiếm đất liền khoảng 500 triệu năm trước. Sau đó, nhóm nghiên cứu cấy gen SKL1 của địa tiền thảo vào một cây hoa bạch tạng không có gen SKL1, kết quả là cây con mọc ra một bộ lá xanh với lục lạp được phục hồi.

Kết quả bất ngờ đến mức các nhà nghiên cứu phải lặp lại thí nghiệm nhiều lần.

Họ xác nhận rằng rêu tản có SKL1 bị phá vỡ sẽ nhợt nhạt và còi cọc, giống như thực vật có hoa thiếu SKL1, cho thấy SKL1 có thể có chức năng tương tự trong quá trình phát triển lục lạp ở thực vật có tuổi đời già hơn đáng kể so với hoa hiện đại.

Ví dụ về một số loài quang hợp được đánh giá trong nghiên cứu. Nguồn: Khoa Sinh học Tế bào & Hệ thống/Đại học Toronto.

“Tôi và các đồng nghiệp rất ngạc nhiên vì địa tiền là một loài thực vật rất cổ xưa”, Christendat nói. “Chúng tôi cho rằng cách thức hoạt động của gen SKL1 ở địa tiền sẽ rất khác so với một loài thực vật tiến hóa gần đây hơn. Chức năng của gen SKL1 không chỉ được bảo tồn trong suốt 500 triệu năm tiến hóa của thực vật mà còn rất cần thiết cho sự tồn tại của chúng trên cạn”.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng trong khi tất cả thực vật trên cạn đều có SKL1 - như được tiết lộ qua phân tích trình tự gen từ nhiều loại địa tiền, dương xỉ, rêu và thực vật có hoa - thì tổ tiên của thực vật hiện đại bao gồm cả tảo sống dưới nước chỉ có protein SK ban đầu.

Kanaris cho biết: "Việc không thể xác định SKL1 ở các sinh vật tiền sử có nguồn gốc từ thực vật trên cạn cho thấy gen này có vai trò quan trọng trùng với sự xuất hiện của thực vật trên cạn".

Christendat cho biết việc hiểu rõ vai trò của SKL1 trong quá trình quang hợp có thể cải thiện khả năng sinh trưởng của cây trồng và biến nó thành mục tiêu hiệu quả hơn cho các thế hệ thuốc diệt cỏ mới, vì con đường chuyển hóa liên quan đến protein SK hiện là mục tiêu của hầu hết các loại thuốc diệt cỏ. "Một số vùng nhất định của protein SKL1 khác nhau ở mỗi loài thực vật, vì vậy có thể nhắm mục tiêu SKL1 từ các loài thực vật cụ thể để đảm bảo an toàn và tính bền vững của nông nghiệp".

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Toronto.