Cơ chế giúp thực vật “cảm thấy no”

Các nhà nghiên cứu tại NYU xác định cách thực vật cảm nhận tình trạng đủ nitơ – và ý nghĩa của điều này đối với việc giải quyết các thách thức toàn cầu liên quan đến phân bón.

Một bông hoa đang nở trên cây Arabidopsis thaliana tại Trung tâm Hệ gen và Sinh học Hệ thống thuộc NYU. Ảnh: Will Hinckley/NYU 

Các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã xác định được những thành phần phân tử đóng vai trò chủ chốt trong việc giúp cây trồng "cảm thấy no" sau khi đã hấp thụ đủ lượng nitơ; phát hiện này có thể hỗ trợ các nhà khoa học tạo ra những giống cây trồng có khả năng hấp thụ nhiều nitơ hơn từ đất, đồng thời giúp nông dân giảm thiểu việc bón phân – một hoạt động gây tốn kém về mặt kinh tế và tác động tiêu cực đến môi trường.

Theo Gloria Coruzzi – Khoa Sinh học và Trung tâm Hệ gen học và Sinh học Hệ thống thuộc Đại học New York – cho biết: "Thông qua việc xác định các gen điều hòa nhạy bén với những mức độ và loại nitơ khác nhau, chúng tôi đã tìm ra một yếu tố điều tiết quá trình sử dụng nitơ, cũng như chìa khóa để cải thiện khả năng hấp thụ và chuyển hóa nitơ thành dạng hữu cơ cho cây trồng".

Trong vài thập kỷ qua, việc sử dụng phân bón nitơ đã giúp gia tăng đáng kể năng suất cây trồng trên toàn cầu. Tuy nhiên, cây trồng chỉ hấp thụ khoảng 50% lượng phân bón được cung cấp. Một lượng lớn phân bón bị rửa trôi vào nguồn nước, gây hại cho các sinh vật thủy sinh và thúc đẩy hiện tượng tảo nở hoa gây hại. Lượng nitơ dư thừa còn lại trong đất góp phần làm gia tăng nồng độ nitơ oxit – một loại khí nhà kính có tác động mạnh, với khả năng giữ nhiệt cao gấp 273 lần so với khí CO₂ trong khoảng thời gian 100 năm.

Ngoài ra, việc sản xuất và vận chuyển phân bón rất tốn kém và chịu ảnh hưởng bởi các vấn đề địa chính trị đang diễn ra; quá trình lưu trữ và vận chuyển cũng tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn do thành phần nitơ trong phân bón có tính chất kém ổn định.

Coruzzi cho biết thêm: “Việc nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón sẽ mang lại những tác động quan trọng về mặt môi trường, kinh tế và địa chính trị”.

Để giải quyết những thách thức toàn cầu liên quan đến phân bón nitơ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một yếu tố điều hòa mới chi phối khả năng "cảm thấy no" của cây trồng khi hấp thụ nitơ.

Will Hinckley, cùng nhóm nghiên cứu, nhận định: "Kiến thức này có thể hỗ trợ việc tạo ra các giống cây trồng 'ham ăn' – những giống có khả năng hấp thụ nhiều nitơ hơn từ nguồn cung sẵn có".

Arabidopsis phát triển trên môi trường chứa nito. Nguồn: Will Hinckley/NYU.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã xác định được những gen thực vật phản ứng với nitơ tùy theo "liều lượng nitơ", với mục tiêu tìm ra các yếu tố điều hòa tín hiệu nitơ đặc thù theo từng điều kiện. Nhờ đó, họ đã xác định được một loại protein mang tên HHO5 đóng vai trò là yếu tố điều hòa then chốt trong việc phát tín hiệu báo trạng thái "no nitơ" của cây. Điều quan trọng là HHO5 điều hòa sự biểu hiện gen trên toàn bộ hệ gen cũng như sự sinh trưởng của cây theo cơ chế phụ thuộc vào liều lượng nitơ.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng các dạng nitơ khác nhau có tác động riêng biệt lên mức độ biểu hiện của HHO5 – gen mã hóa cho protein HHO5, vốn là một yếu tố phiên mã chủ chốt kích hoạt sự biểu hiện các gen đích trên toàn hệ gen. Họ nhận thấy mức độ biểu hiện của HHO5 tăng lên khi cây có đủ lượng nitơ hữu cơ – một dạng nitơ được sử dụng để vận chuyển đường dài, dự trữ, cũng như tổng hợp các axit amin thiết yếu cho dinh dưỡng của con người. Khi được kích hoạt bởi tín hiệu nitơ hữu cơ, HHO5 đồng thời đảm nhận hai vai trò: Thúc đẩy biểu hiện các gen phản ứng với nitơ hữu cơ và quá trình chuyển hóa axit amin, đồng thời ức chế biểu hiện các gen liên quan đến việc hấp thụ thêm nitơ vô cơ từ đất – về cơ bản là phát đi tín hiệu: "Tôi đã đủ nitơ rồi".

Hinckley lý giải: “Thực vật hấp thụ nitơ vô cơ từ đất và chuyển hóa chúng thành nitơ hữu cơ. Quá trình hấp thụ và chuyển hóa nitơ này tiêu tốn rất nhiều năng lượng. Do đó, khi lượng nitơ hữu cơ đạt mức đủ và kích hoạt gen HHO5, chính HHO5 sẽ phát tín hiệu yêu cầu cây ngừng hấp thụ thêm nitơ vô cơ từ đất; đây có thể là cơ chế giúp cây tiết kiệm năng lượng. Đây chính là mô hình giải thích cách thực vật xác lập trạng thái 'no nitơ' thông qua HHO5”.

Các nhà nghiên cứu đã đi sâu tìm hiểu cơ chế HHO5 điều hòa các gen của cây trồng để hiểu rõ hơn cách loại protein này đảm nhận đồng thời hai vai trò. Họ phát hiện ra rằng khi hoạt động độc lập, HHO5 ức chế sự biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình hấp thụ nitơ vô cơ. Tuy nhiên, khi tương tác với một protein điều hòa khác là WRKY21, HHO5 lại chuyển sang vai trò kích hoạt các gen liên quan đến tín hiệu nitơ hữu cơ. 

Để xác thực cơ chế phản hồi nitơ hữu cơ này, các nhà khoa học tại Đại học New York đã thiết kế các tế bào thực vật chứa hàm lượng cao cả protein điều hòa HHO5 và WRKY21 bằng cách sử dụng kỹ thuật gen có tên DoubleTARGET. Trong DoubleTARGET, hai protein điều hòa được quan tâmt- rong trường hợp này là HHO5 và WRKY21 - mỗi loại được liên kết với các dấu hiệu gen huỳnh quang khác nhau (xanh lục hoặc đỏ) sau đó được biểu hiện trong các tế bào thực vật biệt lập; Trình tự RNA của các tế bào này cho thấy các gen mục tiêu trong bộ gen phản ứng hiệp đồng với các cặp protein điều hòa này. Trong nghiên cứu này, các tế bào có hàm lượng cao cả HHO5 và protein đối tác WRKY21 thể hiện sự biểu hiện nâng cao của các gen liên quan đến phản ứng nitơ hữu cơ và liên quan đến phòng thủ.

Để chứng minh thêm rằng protein điều hòa HHO5 báo hiệu cho cây ngừng hấp thụ nitơ vô cơ, các nhà nghiên cứu ở Argentina và NYU đã hợp tác nghiên cứu những cây thiếu HHO5 bằng cách sử dụng Arabidopsis – một loài thực vật có hoa nhỏ thường được sử dụng làm mô hình trong nghiên cứu sinh học thực vật. Đáng chú ý, cây thiếu HHO5 hấp thụ nitơ gần gấp ba lần so với cây có hàm lượng HHO5 bình thường trong điều kiện nitơ cụ thể.

Obertello cho biết: "Phát hiện này củng cố quan điểm cho rằng HHO5 đóng vai trò tín hiệu báo hiệu trạng thái no nitơ hữu cơ và ức chế quá trình hấp thụ nitơ vô cơ từ đất. Hơn nữa, việc loại bỏ HHO5 giúp tăng cường khả năng hấp thụ nitơ, cho thấy việc điều chỉnh HHO5 có tiềm năng mang lại những cải thiện rõ rệt trong quá trình đồng hóa và chuyển hóa nitơ ở thực vật".

Đại học NYU đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho các nghiên cứu và kết quả được trình bày trong bài báo này, nhằm tạo cơ sở cho việc cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ ở thực vật.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học New York.