Đánh giá cơ chế bảo vệ thực vật khỏi tác hại của ánh sáng: Những hiểu biết mới về protein anten CP26

Các nhà nghiên cứu đang điều tra chức năng của protein anten CP26 bên trong cây mẫu Arabidopsis. Nguồn: Claire Benjamin.

Thực vật phải cân bằng cẩn thận giữa việc thu nhận ánh sáng mặt trời để cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp và bảo vệ bản thân khỏi tác hại của ánh sáng. Một phần của sự cân bằng này được thực hiện bởi các protein anten liên kết với các phân tử thu nhận ánh sáng bên trong lục lạp của thực vật. Chủ yếu được biết đến với khả năng thu nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời, một số protein anten có thể tiêu tán năng lượng dư thừa đã hấp thụ dưới dạng nhiệt thông qua một cơ chế bảo vệ quang học được gọi là dập tắt phi quang hóa (NPQ).

Một nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học tại Đại học Cambridge và Đại học California, Berkeley đã điều tra chức năng của một loại protein anten có tên là CP26. Mặc dù trước đây người ta cho rằng CP26 đóng vai trò trong NPQ (điều hòa quang hợp không hoàn hảo), nhưng phát hiện của nhóm nghiên cứu đã thay đổi hiểu biết về chức năng của CP26 và cho thấy rằng nó ảnh hưởng đến cấu trúc tổ chức của hệ thống quang hợp thay vì trực tiếp tham gia vào NPQ. Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí Plant Physiology.

Công trình này được dẫn đầu bởi Johannes Kromdijk, phó giáo sư Khoa học Thực vật tại Đại học Cambridge và là thành viên của dự án Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) , một nỗ lực quốc tế nhằm cải thiện năng suất cây trồng bằng cách tăng cường quá trình quang hợp. Một trong những mục tiêu nghiên cứu của RIPE là tối ưu hóa tỷ lệ NPQ để tăng hiệu quả quang hợp và thúc đẩy năng suất cây trồng. Mục tiêu này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu tìm hiểu xem liệu việc thiết kế các protein anten như CP26 có thể nâng cao hiệu suất của cây trồng hay không, điều này đòi hỏi phải hiểu rõ hơn về chức năng cụ thể của CP26.

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra xem CP26 có đóng vai trò trong NPQ hay không bằng cách ngăn chặn sự biểu hiện của nó trong cơ thể sống ở cây Arabidopsis. Đồng thời, họ cũng thay đổi các yếu tố khác được biết là ảnh hưởng đến NPQ. Những yếu tố này bao gồm protein cảm biến PsbS, có chức năng tiêu tán năng lượng ánh sáng dư thừa dưới dạng nhiệt. Họ cũng thay đổi chu trình xanthophyll, một quá trình chuyển đổi protein anten giữa việc thu nhận ánh sáng và tiêu tán nhiệt, đồng thời kiểm soát nồng độ sắc tố thu nhận ánh sáng và chất chống oxy hóa zeaxanthin. Cuối cùng, họ đã thay đổi độ dốc pH trên màng thylakoid bên trong lục lạp của cây, một yếu tố quan trọng báo hiệu cho cây chuyển từ thu nhận ánh sáng sang bảo vệ quang hợp. Cách tiếp cận này cho phép họ đánh giá xem sự vắng mặt của CP26 có ảnh hưởng đến các cơ chế được biết là ảnh hưởng đến các yếu tố NPQ hay không bằng cách so sánh mức độ NPQ ở các cây bị biến đổi với các cây đối chứng.

Kromdijk cho biết: “Trong quá trình quang hợp, một phần của lục lạp trở nên axit hơn. Khi độ axit đạt đến ngưỡng nhất định, nó sẽ báo hiệu cho thực vật rằng quá nhiều năng lượng ánh sáng đang được hấp thụ và cần phải kích hoạt cơ chế bảo vệ quang hợp. Một số protein, bao gồm PsbS và có thể cả CP26, có thể phản ứng với độ axit tăng lên và kích hoạt NPQ”. 

Các cây thiếu CP26 cho thấy những thay đổi vừa phải về tỷ lệ NPQ và hiệu quả quang hợp. Tuy nhiên, điều đáng ngạc nhiên là sự suy giảm chu trình xanthophyll và sự điều chỉnh mức độ PsbS có tác động tương tự ở các cây không có CP26 so với các cây có CP26. 

Julia Walter, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Dựa trên các nghiên cứu trước đây, chúng tôi dự đoán rằng CP26 có thể tương tác với sắc tố xanthophyll zeaxanthin để giúp bảo vệ thực vật khỏi ánh sáng quá mạnh. Thay vào đó, dường như sự thiếu hụt protein này ảnh hưởng đến dòng năng lượng thông qua sự sắp xếp lại các anten quang hợp”.

Những phát hiện này làm thay đổi cách các nhà khoa học hiểu về vai trò của CP26 và cho thấy rằng cấu trúc vật lý của hệ thống quang hợp có thể quan trọng không kém gì các quá trình hóa học của nó.

Kromdijk nói: "Các nghiên cứu trước đây đã dẫn đến giả thuyết rằng CP26 tham gia vào một dạng NPQ chậm, mà chúng tôi muốn giảm thiểu ở RIPE. Nghiên cứu của chúng tôi ở đây cho thấy rằng CP26 không tham gia vào loại NPQ chậm này, mà các cây thiếu CP26 có phản ứng NPQ bị thay đổi vì những lý do khác nhau. Chúng tôi cho rằng sự tương tác bị thay đổi giữa các phức hợp anten lân cận hoặc độ nhạy pH bị thay đổi của các phức hợp anten thiếu CP26 là những lời giải thích hợp lý nhất cho những phát hiện của chúng tôi".

Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc thử nghiệm các phiên bản đã được sửa đổi của CP26 để hiểu rõ hơn vai trò của nó và xác định nơi xảy ra sự tiêu tán năng lượng. Các nhà nghiên cứu cũng đang mở rộng công trình này sang các thành phần khác của hệ thống quang hợp có thể đóng vai trò lớn hơn trong việc bảo vệ khỏi ánh sáng.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Dự án RIPE.