Giải mã cơ chế sản xuất KODA để tăng cường khả năng chống căng thẳng ở thực vật

KODA, một loại hóa chất nông nghiệp được sản xuất với lượng cực thấp, giúp thực vật đối phó với các tác nhân gây hại từ môi trường, là mục tiêu của các nghiên cứu sâu rộng. Để tăng cường sản xuất KODA, các nhà nghiên cứu từ Tokyo Tech đã phát triển một nền tảng mới dựa trên thực vật. Bằng cách sử dụng các công cụ công nghệ sinh học, họ đã biểu hiện thành công các gen bên ngoài tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất KODA ở các loài thực vật thử nghiệm và cải thiện hơn nữa năng suất KODA thông qua quá trình ủ theo thời gian.

Axit 9-hydroxy-10-oxo-12 (Z), 15 (Z) -octadecadienoic, hoặc KODA, là một hóa chất nông nghiệp thuộc nhóm oxylipin thực vật. Oxylipin là các axit béo bị oxy hóa, chủ yếu có nguồn gốc từ các axit béo không bão hòa đa như axit linolenic, linoleic và axit thô hoặc các este của chúng. Oxylipin, bao gồm KODA, giúp thực vật phục hồi sau những căng thẳng như chấn thương thể chất, nhiễm trùng, v.v. Nhiều loài thực vật tổng hợp KODA một cách tự nhiên; tuy nhiên, hầu hết số lượng thường thấp, một ngoại lệ là loài bèo tấm nổi tự do, Lemna paucicostata.

Làm thế nào để lợi thế di truyền này của bèo tấm có thể được áp dụng trong các cây khác? Có vẻ như câu trả lời nằm ở công nghệ sinh học tiên tiến. Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Tech) đã phát triển một hệ thống cải thiện sản xuất KODA trên cây trồng bằng kỹ thuật chuyển gen. Họ đã đưa vào các gen quan trọng liên quan đến việc tăng cường sản xuất KODA trong bèo tấm vào hai loài thực vật riêng biệt Nicotiana benthamiana và Arabidopsis thaliana.

Hai gen quan trọng từ loài bèo tấm giúp cải thiện sản xuất KODA là 9-lipoxygenase (hoặc 9-LOX) và allene oxide synthase (hoặc AOS), khi được biểu hiện ngoại bào trong các loài nghiên cứu, đã dẫn đến cải thiện năng suất KODA ở cả hai loài thực vật. Tuy nhiên, có sự khác biệt giữa các loài về mức độ định vị KODA ở hai loài. Ở Nicotiana benthamiana, sự biểu hiện nhất thời của 9-LOX và AOS dẫn đến sự gia tăng biểu hiện KODA trong lá. Tuy nhiên, ở Arabidopsis thaliana, để đạt được sinh tổng hợp KODA bền vững, các protein được mã hóa bởi hai gen phải được định vị trong các cấu trúc dưới tế bào plastids, lưới nội chất hoặc các giọt lipid. Những phát hiện này đã được xuất bản dưới dạng một bài báo nghiên cứu trên Tạp chí Experimental Botany.

Đáng chú ý, trong cả hai mô hình cây trồng thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đã có thể đạt được sản lượng KODA tốt hơn bằng cách ủ dịch chiết xuất thô của lá theo thời gian. Giải thích thêm về kỹ thuật của họ, tiến sỹ Mie Shimojima, tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Bằng cách ủ dịch chiết xuất thô từ lá cây biến đổi gen, chúng tôi đã đảm bảo sự phân hủy của một số lipid nhất định giải phóng axit α-linolenic, là tiền chất của KODA. Điều này đã dẫn đến lượng KODA dồi dào theo thời gian”.

Mức độ sinh lý KODA được cải thiện có thể là một may mắn cho những người trồng trọt đang cố gắng duy trì sản lượng đáng nể khi đối mặt với những bất ổn về môi trường ngày càng tăng. Như tiến sỹ Shimojima lưu ý: "Chúng tôi không chỉ tìm ra chìa khóa để cải thiện sản xuất KODA trong thực vật mà còn mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu trong tương lai về các oxylipin khác ở các loài thực vật khác nhau”. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu tin tưởng mạnh mẽ rằng hệ thống của họ có thể được điều chỉnh để sản xuất hàng loạt oxylipin đa dạng nhằm kết hợp trong phân bón và thuốc trừ sâu.

Bùi Anh xuân theo Viện Công nghệ Tokyo.