Kết nối các quan sát ở cấp độ hình thái với dữ liệu ở cấp độ phân tử giúp làm sáng tỏ một cơ chế thích ứng với căng thẳng được bảo tồn ở thực vật

Hệ thống giàn quét công suất cao tại Đại học Arizona giám sát các loại cây trồng trong điều kiện sa mạc nhằm theo dõi những phản ứng vật lý theo thời gian thực đối với tình trạng căng thẳng do nhiệt độ cao và hạn hán. Nguồn: Đại học Arizona.

Không giống như con người, thực vật không thể tự điều chỉnh lối sống để thích nghi với môi trường thay đổi. Khi tiếp xúc với các điều kiện như nắng nóng cực độ hoặc khan hiếm nước, thay vì mặc thêm áo len hoặc bật điều hòa, thực vật cần cảm nhận và phản ứng với những thay đổi môi trường này ở cấp độ phân tử. Bước vào một dạng “chế độ sinh tồn”, thực vật thay đổi các ưu tiên về sinh lý và trao đổi chất, hy sinh những thứ như tăng trưởng và sinh sản để tồn tại.

Số phận của một cây bị căng thẳng, cho dù nó phát triển mạnh mẽ bất chấp căng thẳng, chỉ đơn thuần đối phó với nó, hay chết, đều bị ảnh hưởng rất nhiều bởi cấu trúc di truyền của nó và sự biểu hiện phối hợp của các chất điều hòa phản ứng căng thẳng quan trọng, đóng vai trò trung gian trong việc chuyển sang chế độ sinh tồn. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí The Plant Cell, các nhà nghiên cứu từ Viện Boyce Thompson (BTI) đã tích hợp các phản ứng căng thẳng có thể quan sát được với những thay đổi trong biểu hiện gen, quá trình trao đổi chất và sinh lý để xác định một cơ chế tín hiệu căng thẳng được bảo tồn ở thực vật.

Được tài trợ phần lớn bởi Chương trình Nghiên cứu Hệ Gen Thực vật của Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), Bộ Năng lượng và Quỹ Triad, công trình này là một nỗ lực hợp tác cao độ. Nó kết hợp chuyên môn về phân tích biểu hiện gen so sánh của phó giáo sư tiến sỹ Andrew Nelson tại BTI với thiết kế nghiên cứu kiểu hình thực địa nghiêm ngặt do tiến sỹ Duke Pauli tại Đại học Arizona điều phối và chuyên môn về biến đổi RNA của tiến sỹ Brian Gregory tại Đại học Pennsylvania. Như tiến sỹ Nelson giải thích: “Chúng tôi đã sử dụng phương pháp ‘ưu tiên thực địa’, trong đó chúng tôi quan sát cách thực vật thích nghi với các điều kiện thực tế, sau đó chuyển sang phòng thí nghiệm để hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng của chúng”.

Công trình nghiên cứu bắt đầu ở Arizona, nơi nhóm nghiên cứu trồng sáu loại lúa miến khác nhau, một loại cây ngũ cốc nổi tiếng về khả năng chịu nhiệt và hạn hán. Tiến sỹ Nelson cho biết: “Chúng tôi đã trồng lúa miến thích nghi với các môi trường khác nhau, vì vậy có sự khác biệt về mức độ chịu đựng stress. Chúng tôi đã tận dụng sự khác biệt đó, theo dõi sát sao phản ứng của cây đối với cái nóng khắc nghiệt và hạn hán thường gặp ở các vùng sa mạc của Arizona, để khám phá các cơ chế chi phối cách chúng phản ứng với những điều kiện đó”.

Nhóm nghiên cứu đã vượt ra ngoài những quan sát vật lý đơn thuần về tình trạng căng thẳng ở thực vật, như tiến sỹ Li'ang Yu, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm Nelson và là tác giả chính của nghiên cứu, đã trình bày chi tiết: “Chúng tôi biết rằng tất cả các khía cạnh này- hệ gen, hệ chuyển hóa và sinh lý - đều có liên quan chặt chẽ đến hiệu suất của thực vật khi chịu căng thẳng. Bằng cách tích hợp tất cả thông tin này, chúng tôi có thể tìm ra các gen liên quan đến đặc điểm quan trọng được hỗ trợ bởi nhiều bằng chứng khác nhau, từ đó chúng tôi có thể nghiên cứu sâu hơn”.

Cách tiếp cận tích hợp này đã làm nổi bật hai gen cụ thể có liên quan mật thiết đến các phản ứng sinh lý và vật lý đối với stress. Như đã được thảo luận trong một ấn phẩm trước đó trên tạp chí Plant, Cell & Environment, một yếu tố phiên mã được phát hiện có vai trò điều phối các thay đổi phản ứng với hạn hán trong các gen liên quan đến stress và quang hợp. Tuy nhiên, công trình nghiên cứu hiện tại đã khám phá một loại protein tác động đến biểu hiện gen theo một cách khác: thông qua các biến đổi RNA.

“Các biến đổi RNA giống như một ‘bàn tay vô hình’ có thể điều chỉnh những thứ như độ ổn định hoặc quá trình dịch mã của các bản sao RNA, từ đó tác động đến biểu hiện gen và các quá trình sinh học”, tiến sỹ Yu giải thích. Protein được xác định trong phân tích này, DIHYDROURIDINE SYNTHASE 2 (DUS2), chịu trách nhiệm gắn nhóm dihydrouridine (DHU) vào các bản sao RNA. Trong nghiên cứu này, các phân tích về hệ gen và sinh lý học đã chỉ ra vai trò quan trọng của DUS2 trong việc điều hòa quá trình quang hợp khi phản ứng với stress.

Để khám phá cơ chế mà DUS2 tác động đến phản ứng căng thẳng của thực vật, nhóm nghiên cứu đã sử dụng cây mô hình Arabidopsis thaliana. Ở cấp độ phân tử, sự mất đi của DUS2 dẫn đến giảm sự biến đổi DHU trong các bản sao RNA trên toàn cầu và, đáng chú ý, làm tăng tính ổn định của các bản sao thường được biến đổi DHU, đặc biệt là các bản sao của các gen liên quan đến quang hợp. Tiến sỹ Nelson giải thích: “Trong điều kiện bình thường, các bản sao liên quan đến quang hợp và trao đổi chất rất phong phú, nhưng mức độ biểu hiện của chúng cần được điều chỉnh nhanh chóng khi gặp phải căng thẳng. Chỉ đơn giản là tắt quá trình phiên mã là không đủ; các tế bào phải loại bỏ các bản sao hiện có. Trong mô hình của chúng tôi, sự biến đổi DHU hoạt động như một tín hiệu báo cho tế bào phân hủy bản sao đã được biến đổi”. Quang hợp là một quá trình quan trọng ảnh hưởng đến các đặc điểm nông nghiệp như năng suất và sinh sản, và sự hiểu biết mới này về cách nó được điều chỉnh trong điều kiện căng thẳng mở ra những con đường mới để phát triển các loại cây trồng có khả năng chịu đựng tốt hơn với các điều kiện khắc nghiệt. Bằng cách điều chỉnh sự biến đổi DHU phản ứng với căng thẳng, chúng ta có thể thay đổi số phận của cây trồng bị căng thẳng, giúp chúng phát triển mạnh mẽ khi đối mặt với các điều kiện khắc nghiệt.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Boyce Thompson.