Một sự chuyển đổi phân tử quan trọng kiểm soát kích thước hạt

Hình thể hiện các đột biến mất chức năng, tfl1-1 và tfl1-20, biểu hiện kiểu hình hạt lớn hơn đáng kể (bảng a), điều này có liên quan đến việc tăng kích thước của phôi trưởng thành (bảng b). Bảng c biểu hiện hạt đang phát triển của cây Arabidopsis. CE: nội nhũ điểm hợp (chalazal endosperm), CV: không bào trung tâm (central vacuole), EM: phôi (embryo), ME: nội nhũ ở lỗ noãn (micropylar endosperm), PE: nội nhũ ngoại biên (peripheral endosperm). Các vòng tròn ở ME, PE và CE thể hiện cho nhân nội nhũ. Tác giả: Natural Plant (bảng a và b), Bin Zhang (bảng c).

Các nhà khoa học Đại học quốc gia Singapore đã tìm ra protein di động TERMINAL FLOWER1 (TFL1), hoạt động như một sự chuyển đổi phân tử để điều khiển sự phát triển của nội nhũ và kích thước hạt.

Sự phát triển của hạt quyết định sự tiến hóa phù hợp của thực vật và năng suất cây trồng ở thực vật có hoa. Trong các chỉ số sinh trưởng đánh giá sự phát triển của hạt thì kích thước hạt là một đặc điểm nông học cần thiết trong quá trình làm thuần và nhân giống ở nhiều loại cây trồng. Kiến thức về kiểm soát kích thước hạt ở cây mô hình Arabidopsis thaliana cung cấp cho chúng ta những hiểu biết sâu sắc về nhân giống phân tử để cải thiện mùa vụ. Đây là một phần trong các nỗ lực giải quyết vấn đề khủng hoảng lương thực ngày càng tăng trên toàn cầu. 

Nhóm nghiên cứu của giáo sư Yu Hao, Khoa Khoa học Sinh học Đại học quốc gia Singapore, đã phát hiện một gen điều hòa rất quan trọng, TLF1, đóng vai trò như một tín hiệu di động đến nay vẫn chưa biết rõ. TLF1 có thể phản ứng lại sự thu nhận các tín hiệu của cây mẹ trong nội nhũ để quyết định kích thước hạt của thế hệ tiếp theo.

Sự thụ tinh ở thực vật có hoa tạo ra phôi và các nội nhũ, mô giàu dinh dưỡng để cung cấp chất dinh dưỡng cho phôi đang phát triển. Nội nhũ được chia thành ba phần bao gồm nội nhũ ở lỗ noãn, nội nhũ ngoại biên và nội nhũ điểm hợp. Sự hình thành tế bào (một quá trình phân chia thành các tế bào riêng biệt) của nội nhũ lỗ noãn và nội nhũ ngoại biên kết thúc sự tăng sinh của nội nhũ, điều này ảnh hưởng đến thể tích hạt để tăng kích thước phôi và kiểm soát kích thước hạt cuối cùng.

Đặc biệt, nội nhũ điểm hợp, gần mô của cây mẹ, chỉ là một phần của nội nhũ và không tạo thành các tế bào riêng biệt trong quá trính phát triển của hạt. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện TLF1 là một chất điều hòa mới được tạo thành từ nội nhũ điểm hợp, nó di chuyển đến nội nhũ ngoại biên để kiểm soát kích thước hạt dưới sự điều hòa của một nhóm nhỏ GTP liên kết với protein hạt nhân Ras. Ở nội nhũ ngoại biên, TLF1 ổn định cơ chế điều hòa axít abscisic ABI5, vì thế điều hòa việc phân chia đúng lúc các tế bào của nội nhũ và kích thước hạt cuối cùng.

Giáo sư Yu nói: “Cuộc khủng hoảng lương thực đang ảnh hưởng đến người dân ở mọi nơi trên thế giới. Hơn 100 triệu người dân trên toàn cầu đang đối mặt với nạn đói. Đại dịch Covid 19 đang đẩy nhiều gia đình hơn nữa vào tình trạng thiếu lương thực. Việc biến đổi khí hậu trong tương lai sẽ đem lại nhiều thách thức hơn”.

Ông nói thêm: “Các loại hạt có thể ăn được, chẳng hạn như các loại hạt ngũ cốc, là nguồn cung cấp calo và protein chủ yếu của con người. Kích thước hạt của cây Arabidopsis bị đột biến mất chức năng TLF1 lớn hơn 30% so với hạt của cây không đột biến, TLF1 được xem như là một sự chuyển đổi phân tử để kiểm soát kích thước hạt. Ứng dụng công nghệ sinh học của chúng tôi đã mở ra một hướng mới để cải thiện năng suất mùa vụ và kích thích sức sống mãnh liệt của cây lương thực. Kích thước hạt lớn không chỉ làm tăng sinh khối mà còn tăng dự trữ chất dinh dưỡng cho sự phát triển của cây con”.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org