Cách thực vật quyết định thời điểm ra hoa: Khám phá phản ứng với phốt pho

  Một đường truyền tín hiệu mới được phát hiện giải thích cách thực vật trì hoãn việc ra hoa khi phốt pho cạn kiệt, mở ra cánh cửa cho các loại cây trồng sử dụng chất dinh dưỡng hiệu quả.

Phốt pho, một thành phần quan trọng trong phân bón, đang dần cạn kiệt. Hệ thống lương thực thế giới phụ thuộc vào phốt pho được khai thác từ các nguồn dự trữ hạn chế, nhưng phần lớn lượng phốt pho được bón cho đồng ruộng lại bị rửa trôi, khiến đất ngày càng cạn kiệt. Khi phốt pho trở nên khan hiếm, cây trồng khó sinh trưởng và phát triển, đe dọa năng suất và an ninh lương thực toàn cầu. Trong khi con người tìm kiếm cách sử dụng phốt pho hiệu quả hơn, thực vật đã xoay sở để vượt qua thách thức này trong hàng triệu năm. Khi phốt pho cạn kiệt, chúng điều chỉnh sự phát triển, làm chậm quá trình ra hoa và chờ đợi điều kiện tốt hơn. Cho đến nay, phương pháp mà thực vật sử dụng để thực hiện sự thay đổi phát triển này vẫn còn là một bí ẩn đối với các nhà khoa học.

Cây Arabidopsis được trồng có và không có đủ lượng phốt pho. Nguồn: Hatem Rouached.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Khả năng Phục hồi Thực vật thuộc Đại học Bang Michigan đã khám phá ra cơ chế phân tử cho phép thực vật cảm nhận sự thiếu hụt phốt pho và trì hoãn ra hoa, một chiến lược sinh tồn có thể truyền cảm hứng cho những phương pháp mới để lai tạo cây trồng trên đất nghèo dinh dưỡng. Bản thảo, được công bố trên tạp chí Developmental Cell, tiết lộ một "công tắc" phụ thuộc phốt pho bên trong tế bào thực vật, giúp lập trình lại sự phát triển của chúng khi thiếu hụt dinh dưỡng.

Phó giáo sư Hatem Rouached, tác giả chính và giảng viên tại Khoa Khoa học Thực vật, Đất và Vi sinh vật của Đại học Bang Michigan (MSU), cho biết: "Đây là lần đầu tiên chúng tôi thấy mối liên hệ trực tiếp như vậy giữa tình trạng dinh dưỡng, sự di chuyển của protein bên trong tế bào và việc kiểm soát thời gian ra hoa. Khám phá này giúp giải thích cách thực vật chuyển đổi stress dinh dưỡng thành thời gian phát triển. Bằng cách hiểu được cơ chế đó, chúng ta có thể bắt đầu thiết kế các loại cây trồng ra hoa và cho năng suất tối ưu ngay cả trong môi trường nghèo dinh dưỡng".

Tín hiệu dinh dưỡng trở thành quyết định phát triển

Nghiên cứu do tiến sỹ Hui-Kyong Cho thực hiện bắt đầu bằng một quan sát đơn giản: Cây trồng trong điều kiện thiếu phốt pho thường ra hoa muộn hơn so với cây trồng có đủ phốt pho. Sử dụng phương pháp lập bản đồ liên kết toàn bộ hệ gen ở Arabidopsis, Cho và các đồng nghiệp đã tìm kiếm cơ sở phân tử giải thích hiện tượng này.

Nghiên cứu của họ đã dẫn đến điều bất ngờ; một protein có tên là β-GLUCOSIDASE 25 (bGLU25). Mặc dù bGLU25 thuộc họ enzyme thường phân hủy carbohydrate, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nó không hoạt động xúc tác. Thay vào đó, nó hoạt động như một tín hiệu, truyền đạt thông tin về môi trường dinh dưỡng của cây.

Trong điều kiện giàu phốt pho, protein bGLU25 nằm yên trong lưới nội chất, khoang tế bào giúp xử lý protein. Khi phốt pho cạn kiệt, bGLU25 bị cắt bởi một protein khác, SCPL50, và được giải phóng vào tế bào chất, phần dịch bên trong tế bào.

Theo TS. Cho: "Chuyển động đó, từ ngăn này sang ngăn khác, là cách cây bật công tắc phân tử. Nó thay đổi những gì bGLU25 có thể tương tác và điều đó thay đổi cách cây quyết định thời điểm ra hoa".

Tiến sỹ Cho và Rouached kiểm tra các cây Arabidopsis ở độ tuổi tương đương nhưng giai đoạn phát triển khác nhau. Nguồn: Morgan Magilligan.

Phản ứng chuỗi phân tử

Khi vào tế bào chất, bGLU25 liên kết với một protein khác gọi là AtJAC1, sau đó protein này sẽ giữ lại một protein thứ ba, GRP7, ngăn không cho nó xâm nhập vào nhân tế bào. GRP7 thường điều hòa một gen được gọi là FLC (FLOWERING LOCUS C), một chất ức chế chính ngăn cản thực vật ra hoa quá sớm.

Bằng cách giữ GRP7 trong tế bào chất, bGLU25 gián tiếp thúc đẩy hoạt động của FLC, làm chậm quá trình ra hoa khi phốt pho khan hiếm. Kết quả là một phản ứng được điều chỉnh chính xác: trong điều kiện thiếu phốt pho, thực vật tập trung vào sự sống còn hơn là sinh sản.

Rouached cho rằng: Đây là một ví dụ điển hình về cách thực vật tích hợp các tín hiệu môi trường vào các lựa chọn phát triển.

Một Chiến Lược Cổ Xưa Với Tầm Quan Trọng Hiện Đại

Phốt pho rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất của thực vật. Nó là một phần của DNA, màng tế bào và các phân tử năng lượng như ATP. Tuy nhiên, đất giàu phốt pho rất hiếm và nguồn cung phân lân phụ thuộc vào nguồn dự trữ hạn chế trên toàn cầu. Việc hiểu được cách thực vật tự nhiên ứng phó với tình trạng khan hiếm này có thể giúp các nhà khoa học lai tạo các loại cây trồng hiệu quả về dinh dưỡng, cần ít phân bón hơn mà vẫn duy trì năng suất.

Theo Rouached: "Cơ chế này không chỉ là một điều kỳ lạ của Arabidopsis. Chúng tôi đã có bằng chứng cho thấy một quá trình tương tự diễn ra ở lúa và các loài cây trồng khác. Điều này mở ra những khả năng thú vị để cải thiện khả năng phục hồi của nông nghiệp ở những vùng thiếu phốt pho".

Bằng giải mã cách thực vật cảm nhận và phản ứng với stress phốt pho, Rouached và Cho hy vọng sẽ đặt nền móng cho một thế hệ cây trồng "thông minh về dinh dưỡng" mới: Nếu chúng ta có thể giúp thực vật đưa ra quyết định tốt hơn về thời điểm ra hoa và cách sử dụng tài nguyên của chúng, chúng ta có thể giúp nông nghiệp trở nên bền vững hơn. Khám phá này mở ra cho chúng ta một bản thiết kế cho tương lai đó.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Bang Michigan.