Làm sáng tỏ vai trò của Thioredoxin loại x và y của thực vật

Các đột biến trx x và trx y của cây Arabidopsis không thể nhận diện phía tiếp nhận giới hạn của hệ thống quang hợp I.
 

Khi tiếp xúc với ánh sáng dao động đòi hỏi thực vật phải phát triển các cơ chế bảo vệ khi cường độ ánh sáng vượt quá khả năng quang hợp. Trong những điều kiện này, các loại phản ứng oxy hóa gây ra hiện tượng quang hóa, cản trở hiệu quả quang hợp. Để chống lại sự cản trở hiệu quả quang hợp này, lục lạp đã phát triển các protein thioredoxin (Trx) để điều chỉnh cân bằng oxy hóa khử trong bộ máy quang hợp và cung cấp chức năng bảo vệ quang hợp. Những protein này cho phép thực vật điều chỉnh quá trình quang hợp để đáp ứng với sự thay đổi cường độ ánh sáng. Trong số các protein Trx lục lạp, Trx loại x và y được biết là có chức năng liên quan, nhưng người ta biết rất ít về chức năng này của chúng trong điều kiện ánh sáng dao động.

Trong các phản ứng ánh sáng của quang hợp, các electron được tạo ra từ quá trình phân tách nước ở hệ thống quang hợp II được vận chuyển qua chuỗi vận chuyển điện tử (ETC) đến hệ thống quang hợp I (PSI) thông qua phức hợp cytochrom b6f trong lục lạp. Các nhà nghiên cứu từ Đại học OKama và Đại học Kyoto Sangyo ở Nhật Bản, sử dụng cây họ cải (Arabidopsis) để nghiên cứu sự điều hòa Trx trong quá trình quang hợp, gần đây đã phát hiện ra rằng Trx loại x và y ngăn chặn sự mất cân bằng oxy hóa khử ở phía nhận điện tử của PSI. Đây là một phát hiện quan trọng vì một cơ chế liên quan đến các Trx ít được biết đến hơn giúp ngăn PSI khỏi bị ức chế quang hợp trong điều kiện ánh sáng dao động đã được xác định.

Trợ lý giáo sư Yuki Okegawa từ Viện Khoa học và Tài nguyên Thực vật tại Đại học OKama dẫn đầu nhóm nghiên cứu và là tác giả của nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Plant Physiology vào ngày 22 tháng 8 năm 2023. Tiến sỹ Wataru Sakamoto, cũng đến từ Viện Khoa học và Tài nguyên Thực vật, là một trong những đồng tác giả của nghiên cứu này.

Nói về động lực theo đuổi nghiên cứu của nhóm, Tiến sỹ Okegawa nhận xét: “Arabidopsis chứa năm loại Trx gồm bốn Trx m, hai Trx f, hai Trx y, Trx x và Trx z. Trong số năm loại, Trx f và Trx m chiếm hơn 90% protein Trx lục lạp, nhưng Trx x và Trx y là những nhóm thiểu số chiếm ít hơn 10% protein Trx. Tại sao điều này đáng lưu ý? Người ta biết rất ít về Trx loại x và y, vì vậy chúng tôi quyết định khám phá vai trò của chúng trong quá trình quang hợp và trong phản ứng với ánh sáng”.

Nhóm đã tạo ra các thể đột biến đơn trx x, đôi trx y1 trx y2 và ba trx x trx y1 trx y2 ở cây Arabidopsis và khám phá những thay đổi trong PSI trong quá trình quang hợp. Họ phát hiện ra rằng trong điều kiện ánh sáng yếu, phía nhận điện tử của PSI bị ức chế ở các đột biến trx x và trx x trx y1 trx y2 so với thực vật hoang dã. Tương tự, nhóm nghiên cứu quan sát thấy hai đột biến này thể hiện sự ức chế rõ rệt hơn ở phía nhận điện tử PSI trong các pha dao động ánh sáng yếu và cao. “So với các loài thực vật hoang dã, sự ức chế bên nhận điện tử PSI này dưới ánh sáng dao động đã chuyển thành hiện tượng ức chế quang hóa PSI nghiêm trọng ở các thể đột biến trx x và trx x trx y1 trx y2. Khi đo sự phát triển của thực vật trong những điều kiện ánh sáng dao động này, các đột biến trx x và trx x trx y1 trx y2 cho thấy sự tăng trưởng bị suy giảm và thậm chí còn chứa hàm lượng PSI thấp hơn”, Tiến sỹ Okegawa giải thích khi thảo luận về những hiểu biết sâu sắc quan trọng từ nghiên cứu. Những phát hiện này biểu thị rằng Trx x và Trx y chống lại bất kỳ sự mất cân bằng oxy hóa khử nào ở phía nhận điện tử PSI, cho phép quá trình quang hợp tiếp tục và ngăn ngừa hiện tượng quang hóa. Những Trx này tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển các electron qua ETC trong điều kiện ánh sáng dao động.

Nhóm nghiên cứu tin rằng Trx x và Trx y hoạt động như các electron chìm trong quá trình chuyển đổi ánh sáng yếu sang ánh sáng cao và duy trì trạng thái oxy hóa ở phía nhận electron PSI. Nhưng ý nghĩa của phát hiện này là gì? Tiến sỹ Okegawa cho biết: “Chức năng này không quan trọng khi điều kiện ánh sáng không đổi. Tuy nhiên, từ quan điểm thích ứng, việc duy trì cân bằng oxy hóa khử ở phía nhận điện tử PSI đóng vai trò như một mạng lưới an toàn và giúp chuẩn bị cho những thay đổi đột ngột về cường độ ánh sáng”.

Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế bảo vệ ánh sáng của thực vật một ngày nào đó có thể giúp phát triển các loại cây trồng chịu được ứch chế nhẹ. Tiến sỹ Okegawa và nhóm của ông tin rằng những tiến bộ này sẽ là yếu tố thay đổi cuộc chơi trong việc giải quyết tình trạng thiếu lương thực bắt nguồn từ việc thiếu nông sản.

Lê Thị Kim Loan theo Đại học Okayama.