Đột biến làm giảm sự lãng phí năng lượng ở cây trồng

Arabidopsis thaliana là một loài sinh vật mô hình được nghiên cứu kỹ. Ảnh: Markus Scholz, Uni Halle.

Để kết thúc điều này, nhóm nghiên cứu đã nhận ra được hàng ngàn protein, xác định số lượng tương ứng của chúng trong các dòng đột biến, tham chiếu và kết hợp các phát hiện với các phép đo hiệu suất quang hợp. Phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí Nature Communications vào ngày 03 tháng 04 năm 2020.

Đột biến gây khiếm khuyết

Nhóm nghiên cứu dẫn đầu do Tiến sĩ Julia Grimmer từ MLU và Giáo sư Sacha Baginsky, Trưởng ban Hóa sinh Thực vật tại RUB, đã sử dụng Arabidopsis thaliana như một loài sinh vật mô hình, "Cây này đã được nghiên cứu chi tiết và có nhiều đột biến được biết đến", Julia Grimmer giải thích. Hai trong số các đột biến này được nhóm nghiên cứu đặc biệt quan tâm và là mấu chốt cho những khám phá đã được mô tả hiện tại.

Một trong những đột biến được đặc trưng bởi một khiếm khuyết trong việc xâm nhập protein vào lục lạp. Lục lạp phụ thuộc vào việc nhập một tỷ lệ lượng lớn protein của chúng từ tế bào chất. Tác giả chính Julia Grimmer giải thích: "Một khiếm khuyết trong việc nhập vào ngăn cản việc sản xuất đủ chất diệp lục. Cây không có màu xanh, chúng là đột biến bạch tạng". Đột biến khác ảnh hưởng đến chức năng của cái gọi là proteasome, một phức hợp protein chịu trách nhiệm làm suy giảm protein trong tế bào chất. Trong thể đột biến, chức năng của proteasome bị thay đổi.

Khiếm khuyết kép cải thiện hiệu suất

Sacha Baginsky giải thích: "Sự kết hợp của hai đột biến này đã dẫn đến một kiểu hình mới của cây". "Cây xanh hơn người/động vật đột biến bạch tạng và chúng thực hiện quá trình quang hợp nhiều hơn. Điều này làm chúng tôi ngạc nhiên, vì nó trái với trực giác. Nếu một khiếm khuyết thứ hai được thêm vào đầu tiên, chức năng sẽ được cải thiện". Các nhà nghiên cứu giải thích kết quả này như sau: sự suy giảm protein do đột biến proteasome có nghĩa là có nhiều protein lục lạp có sẵn trong tế bào chất. Mặc dù việc vận chuyển bị gián đoạn do đột biến nhập vào, một số protein vẫn có thể được vận chuyển vào lục lạp, nơi mà nhiều chất diệp lục có thể được hình thành hơn so với trong cây bạch tạng. Đột biến kép mới cũng có nhiều ngăn xếp thylakoid hơn: đây là nơi đặt các phức hợp quang hợp chức năng.

Các nghiên cứu trên cây Arabidopsis hoang dã cho thấy sự cải thiện hiệu suất quang hợp do đột biến proteasome cũng xảy ra độc lập với đột biến nhập. Sacha Baginsky cho biết: "Chúng tôi cho rằng proteasome liên tục làm suy giảm protein lục lạp trong tế bào chất, từ đó bảo vệ cây tránh khỏi thiệt hại tiềm tàng do quá trình quang hợp xảy ra". Điều này có nghĩa là cây lãng phí năng lượng có thể được sử dụng để hình thành sinh khối để bảo vệ lại chính nó. Do đột biến proteasome, gây cản trở sự giảm sút protein trong tế bào chất, yếu tố giới hạn này bị giảm và quá trình quang hợp được thực hiện hiệu quả hơn. "Từ khi tất cả các sinh vật quang hợp tự bảo vệ mình thông qua các cơ chế tương tự, chúng tôi cho rằng hiệu ứng này cũng có thể được chuyển sang thực vật bậc cao", nhà sinh vật học cho biết. Điều này có khả năng giúp làm cho sự chuyển đổi carbon dioxide thành sinh khối ở thực vật hiệu quả hơn.

Phân tích hệ protein phức hợp

Nhóm nghiên cứu đã dựa trên những phân tích phức hợp về toàn bộ protein thực vật, được gọi là proteome. Vài ngàn protein đã được xác định và số lượng tương ứng của chúng trong các đột biến khác nhau được xác định một cách định lượng. Sacha Baginsky kết luận: "Chỉ có rất ít nhóm nghiên cứu có thể làm điều này ở mức độ chi tiết thế này. Điều này đã cho phép chúng tôi ghi lại các tác động và hiểu chúng".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org