Cơ chế tự thực bào điều chỉnh khả năng chịu mức nitơ thấp ở cây cà chua như thế nào?

Sự biểu hiện quá mức của ATG6 làm tăng sự chịu đựng mức nitơ thấp ( LN). Nguồn: Đại học Nông nghiệp Nam Kinh.

Thiếu nitơ trước hết sẽ ảnh hưởng đến sự hấp thụ và đồng hóa nitơ của cây trồng. Nitrate, nguồn nitơ chính của cây trồng được hấp thụ và vận chuyển bởi các chất vận chuyển nitrate. Nitrate có thể được chuyển hóa trực tiếp ở rễ sau khi được hấp thụ và tích trữ ở không bào, nhưng hầu hết nitrate được vận chuyển đến các bộ phận trên mặt đất của cây trồng. Ở thực vật, sự trao đổi chất C và N tương quan chặt chẽ với nhau. Sự thiếu hụt nitơ không chỉ ảnh hưởng đến việc hấp thụ và đồng hóa nitơ mà còn ảnh hưởng đến sự đồng hóa carbon, đặc biệt là quang hợp. Phân giải protein để tái tạo nitơ giúp cây trồng thích nghi với tình trạng thiếu hụt nitơ.

Sự tự thực bào là một trong những cơ chế thoái hóa và tái tạo quan trọng nhất của protein và các bào quan trong tế bào chất, đóng vai trò quan trọng trong việc tái tạo chất dinh dưỡng trong các điều kiện thiếu chất dinh dưỡng. Trong điều kiện thiếu hụt nitơ, Rubisco được vận chuyển đến không bào và bị thoái hóa bằng việc tự thực bào, liên quan đến gen ATG, quá trình tự thực bào phụ thuộc. Mặc dù chức năng của quá trình tự thực bào trong việc tái tạo nitơ đang được nghiên cứu sâu hơn, nhưng tự thực bào ảnh hưởng đến các quá trình hấp thụ và đồng hóa nitơ cũng như đồng hóa carbon như thế nào vẫn cần được nghiên cứu.

Các nhà khoa học ở đại học Nông nghiệp Hà Nam và đại học Nông nghiệp Triết Giang đã công bố cơ chế tự thực bào góp phần vào khả năng chịu đựng lượng nitơ thấp (LN) bằng cách tối ưu hóa việc hấp thụ và sử dụng nitơ ở cây cà chua. Trước tiên, các tác giả phát hiện những đột biến tự thực bào (atg6, atg10, và atg18a) ở cây cà chua nhạy cảm với điều kiện nitơ thấp.

Sau đó, các tác giả đã sử dụng ATG6 loại bỏ trực tiếp đột biến (atg6) và các cây biểu hiện quá mức (ATG6-OE) để phân tích sâu hơn các chức năng sinh học của cơ chế tự thực bào trong điều kiện nitơ thấp (LN) và phát hiện ATG6 - tự bào phụ thuộc rất cần thiết để cây cà chua đáp ứng lại với các điều kiện thiếu hụt nitơ. So sánh với cây hoang dã (WT), các cây có đột biến atg6 có sinh khối và chứa diệp lục tố ít hơn, giảm sự tạo thành autophagosome sau khi được xử lý điều kiện nitơ thấp; trong khi các cây biểu hiện quá mức (ATG6-OE) có sinh khối và chứa diệp lục tố nhiều hơn, tạo thành autophagosome nhiều hơn.

Dưới điều kiện nitơ thấp, hàm lượng nitơ trong chồi và rễ của các cây atg6 và ATG6-OE lần lượt thấp hơn và cao hơn so với các cây hoang dã. Sự biểu hiện của LN do gen vận chuyển nitrate NRT1.1 và NRT2.1 bị bất hoạt hoàn toàn ở các cây atg6, trong khi đó chúng biểu hiện cao hơn ở các cây ATG6-OE và hoang dã. Sau khi xử lý ức chế nitơ thấp, hoạt đông của enzyme nitrate reductase và nitrite reductase trong lá của những cây đột biến ATG6 và ATG6-OE lần lượt giảm và tăng ở các mức độ khác nhau so với những cây hoang dã.

Các dữ liệu cho thấy cơ chế tự thực bào liên quan đến sự vận chuyển và đồng hóa nitơ trong điều kiện thiếu hụt nitơ (LN). Những nghiên cứu sâu hơn cho thấy sự tự thực bào phụ thuộc ATG6 thúc đẩy đồng hóa cả nitơ và carbon, góp phần vào sự sinh trưởng của thực vật trong điều kiện thiếu hụt nitơ. Các thí nghiệm ghép cây đột biến ATG6 với cây hoang dã ở chồi hoặc gốc càng cho thấy quá trình tự thực bào phụ thuộc ATG6 làm tăng trao đổi chất nitơ, quang hợp và sinh trưởng thực vật ở những điều kiện thiếu hụt nitơ. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Horticulture Research.

Các tác giả cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy các chức năng mới của sự tự thực bào như điều chỉnh việc hấp thụ và sử dụng nitơ cũng như đồng hóa carbon, ngoài các chức năng tái tạo và loại bỏ các chất dinh dưỡng ở cây cà chua trong các điều kiện thiếu hụt nitơ. Tăng sự tự thực bào có chủ ý có thể là một cách làm hiệu quả để cải thiện sinh trưởng và năng suất cây trồng trong các điều kiện thiếu hụt nitơ”.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org