Con đường thực vật mới được tìm thấy giúp giải độc tế bào dưới áp lực ánh sáng cao

Con đường hô hấp ánh sáng đã được thiết lập và shunt glyoxylate tế bào chất được đề xuất trong nghiên cứu này. Nguồn: Nature Communications (2025).

DOI: 10.1038/s41467-025-59349-2.

Một con đường mới được phát hiện trong quá trình phát triển của thực vật có thể giúp nông dân trồng trọt thành công hơn, đặc biệt là ở những nơi có ánh sáng mạnh, khắc nghiệt gây căng thẳng cho cây trồng.

Con đường này bổ sung cho quy trình hoạt động chính của quá trình quang hô hấp, cho thấy quang hô hấp linh hoạt hơn vẻ bề ngoài. Xiaotong Jiang, nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm của Jianping Hu thuộc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thực vật, Khoa Năng lượng, Đại học Bang Michigan, cùng các đồng nghiệp đã công bố kết quả nghiên cứu của họ trên tạp chí Nature Communications.

Quang hô hấp hoạt động kết hợp với quang hợp, hoạt động như một đội dọn dẹp khi tiền chất của quá trình quang hợp tạo ra các sản phẩm phụ có hại. Thông thường, enzyme chính của quang hợp, Rubisco, hoạt động như một carboxylase của carbon dioxide để tạo ra đường. Nhưng nó cũng là một oxygenase có thể cố định oxy. Khi điều đó xảy ra, quá trình này tạo ra một hóa chất có hại cho tế bào.

Để ngăn chặn sự tích tụ của chất hóa học này, quá trình quang hô hấp sẽ diễn ra để xử lý nó thành chất ít bay hơi hơn có thể được tái sử dụng trong quá trình quang hợp.

Jiang và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng trong điều kiện căng thẳng, thực vật có thể có cách tiếp cận khác. Trong quá trình nghiên cứu về hô hấp sáng cho luận án tiến sỹ tại phòng thí nghiệm Hu, Jiang đã thử nghiệm với một đột biến nhân tạo trong phòng thí nghiệm của cây Arabidopsis thaliana, một loài cây nghiên cứu phổ biến.

Thể đột biến này thiếu khả năng sản xuất enzyme quang hô hấp quan trọng, hydroxypyruvate reductase 1, hay HPR1. Khi được trồng trong môi trường có cường độ ánh sáng cao, những cây này khó có thể theo kịp những cây không bị đột biến.

Để tìm hiểu điều gì đang xảy ra bên trong những cây này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành ngược lại bằng cách đưa các đột biến ngẫu nhiên vào bên cạnh gen HPR1 bị hỏng và quan sát những cây nào cải thiện. Sau đó, họ xác định gen nào - và các enzyme mà chúng mã hóa - có thể bù đắp cho enzyme HPR1 bị lỗi.

Họ phát hiện ra rằng việc phá vỡ enzyme glyoxylate reductase 1, hay GLYR1, có thể kích hoạt một con đường song song liên quan đến HPR2 tương đối của HPR1, mà các nhà nghiên cứu gọi là đường phân lưu glyoxylate trong tế bào chất.

GLYR1 bình thường chuyển đổi glyoxylate thành glycolate, nhưng khi bị vô hiệu hóa, glyoxylate tích tụ và được chuyển hóa thành hydroxypyruvate, rồi thành glycerate bởi một enzyme khác. Hai bước enzyme này cũng xảy ra trong quá trình quang hô hấp chính. Tuy nhiên, shunt diễn ra trong tế bào chất của tế bào, trong khi các bước tương tự trong con đường quang hô hấp chính lại xảy ra trong peroxisome.

Jiang mô tả sự phân luồng này như một đường vòng trên đường cao tốc, nơi xe cộ (hóa chất gây độc tế bào) di chuyển dọc theo một con đường bị hư hỏng (con đường hô hấp sáng). "Nếu đường bị hư hỏng, rất nhiều xe cộ có thể bị kẹt trong bãi đậu xe", bà nói. "Nếu có một lối đi khác, thì xe cộ có thể tiếp tục di chuyển".

"Một điểm thực sự quan trọng rút ra từ nghiên cứu này là quá trình quang hô hấp khá linh hoạt", Amanda Koenig, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm Hu thuộc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thực vật MSU-DOE và đồng tác giả của bài báo, cho biết. Khi con đường chính bị tổn hại vì lý do nào đó, con đường bổ sung có thể hỗ trợ quá trình xử lý độc tố tế bào.

"Con đường song song này có thể có nhiều tiềm năng cải thiện hiệu quả năng lượng và năng suất cây trồng mà không ảnh hưởng đến khả năng chống chịu của cây trước các điều kiện bất lợi".

Mặc dù nhóm nghiên cứu tập trung vào điều kiện ánh sáng cao, Jiang cho biết con đường này có thể hữu ích trong các tình huống căng thẳng khác - nhưng điều đó cần phải được xác định trong tương lai.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org