Làm sáng tỏ cơ chế phía sau cách thức thực vật điều chỉnh quá trình tổng hợp tinh bột

Hình 1: CRCT tạo thành một phức hợp với protein 14-3-3 trong nhân. Nguồn: Đại học Kobe.

Lần đầu tiên trên thế giới, một nhóm nghiên cứu của Đại học Kobe, dẫn đầu bởi Phó giáo sư FUKAYAMA Hiroshi thuộc Trường Đại học Khoa học Nông nghiệp đã sử dụng cây lúa để phát hiện cơ chế mà thực vật điều hòa lượng tinh bột được tạo ra thông qua quá trình quang hợp. Kiến thức này có thể góp phần nâng cao chất lượng và sản lượng cây trồng nông nghiệp.

Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Plant, Cell & Environment vào ngày 14/5/2021.

Cơ sở nghiên cứu

Nồng độ CO₂ trong khí quyển tăng lên là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ấm dần lên toàn cầu, đây là một vấn đề toàn cầu. Tuy nhiên, người ta cho rằng điều này có thể có lợi cho thực vật khi chúng chuyển CO₂ thành tinh bột thông qua quá trình quang hợp. Nếu cây trồng được trồng trong điều kiện có nồng độ CO₂ cao, quá trình tổng hợp tinh bột sẽ được tăng tốc, dẫn đến tăng trưởng mạnh mẽ và tăng năng suất. Protein CCT đáp ứng CO₂ (CRCT) được kích hoạt trong điều kiện có nồng độ CO₂ cao, tuy nhiên chức năng của nó vẫn chưa được biết rõ. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành điều tra các loại protein này bằng cách sử dụng cây lúa và trước đó đã phát hiện ra rằng CRCT là một loại protein quan trọng điều hòa quá trình tổng hợp tinh bột. Trong những phát hiện mới nhất của họ, nhóm đã tiết lộ cách CRCT điều chỉnh quá trình này, điều mà cho đến nay vẫn chưa được hiểu rõ.

Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Các loại protein khác nhau cần thiết cho quá trình tổng hợp tinh bột ở thực vật, bao gồm chất chuyển vị glucose 6-phosphate/phosphate, ADP-glucose pyrophosphorylase, enzyme tổng hợp tinh bột và enzyme phân nhánh tinh bột. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng CRCT điều chỉnh sự biểu hiện của nhiều gen tương ứng với các protein liên quan đến tổng hợp tinh bột này. Protein quy định sự biểu hiện của gen được gọi là yếu tố phiên mã. Trong nhiều trường hợp, các yếu tố phiên mã này tạo thành một phức hợp với một protein khác. Khi các nhà nghiên cứu phân tích khối lượng CRCT bên trong thực vật, họ phát hiện ra rằng nó có thể tạo thành một phức hợp với một số loại protein. Để nghiên cứu thêm điều này, họ đã thực hiện một phân tích bằng cách sử dụng một kháng thể liên kết đặc biệt với CRCT, điều này cho thấy CRCT liên kết với protein 14-3-3. Từ một phân tích khác, lần này bằng cách sử dụng các protein huỳnh quang màu xanh lá cây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng CRCT và protein 14-3-3 tạo thành một phức hợp bên trong nhân (Hình 1). Họ cũng chỉ ra khả năng CRCT di chuyển vào và trở nên hoạt hóa trong các tế bào nhu mô dự trữ tinh bột sau khi được tổng hợp trong các bó mạch của phloem. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng CRCT thúc đẩy quá trình phiên mã bằng cách liên kết với các vùng điều chỉnh sự biểu hiện của nhiều gen liên quan đến tổng hợp tinh bột.sis-related genes.

Chúng ta biết rằng có mối tương quan nghịch giữa sự biểu hiện của 14-3-3 protein và lượng tinh bột. Tuy nhiên, kết quả của chúng tôi cho thấy có mối tương quan thuận giữa lượng tinh bột và sự biểu hiện của CRCT. Do đó, nhóm nghiên cứu giả định rằng protein 14-3-3 và CRCT tạo thành một phức hợp không hoạt động (Hình 2).

Hình 2: Giả thuyết về cơ chế điều hòa tổng hợp tinh bột CRCT qua trung gian giả thiết CRCT liên kết với protein 14-3-3 trong nhân để tạo thành một phức hợp không hoạt động. CRCT sau đó được điều chỉnh bởi các loại đường được tạo ra thông qua quá trình quang hợp. Người ta cho rằng thay vào đó, các protein CRCT không liên kết với protein 14-3-3 sẽ liên kết với các vị trí điều hòa trên các gen liên quan đến tổng hợp tinh bột (chẳng hạn như AGPL1) và thúc đẩy phiên mã. Nguồn: Đại học Kobe.

Sự phát triển xa hơn       

Tổng hợp tinh bột là không thể thiếu đối với thực vật và CRCT điều chỉnh quá trình này, là mục tiêu hàng đầu cho các nỗ lực cải thiện chất lượng và năng suất cây trồng. Bên cánh đó, CRCT là một gen được kích hoạt trong điều kiện có nồng độ CO₂ cao và kiến ​​thức này sẽ hữu ích cho việc lựa chọn giống lúa phù hợp với môi trường như vậy trong tương lai. Hơn nữa, các gen tương tự với CRCT đã được tìm thấy trong mọi cây trồng được điều tra cho đến nay. Nhóm nghiên cứu hiện cũng đang điều tra chức năng CRCT ở khoai tây, một loại cây trồng cung cấp tinh bột chủ yếu.

Đứng về phương diện học thuật, vẫn có những câu hỏi cần được giải đáp. Nhìn vào kết quả nghiên cứu hiện tại, có thể cho rằng protein CRCT di chuyển giữa các tế bào nhưng cơ chế cơ bản vẫn chưa được biết rõ. Hơn nữa, người ta không hiểu CRCT thay đổi mức độ biểu hiện của chính nó như thế nào để phản ứng với nồng độ CO₂ và lượng đường. Nếu cơ chế đằng sau quy định tổng hợp tinh bột qua trung gian CRCT có thể được làm sáng tỏ đầy đủ, nó sẽ có thể tạo ra những cải tiến lớn hơn nữa cho cây nông nghiệp.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org