Nghiên cứu hé lộ các cơ chế giúp tế bào thực vật phục hồi trước stress

Các nhà sinh học đã xác định được các “neo phân tử” giúp cố định màng tế bào thực vật vào thành tế bào trong quá trình mất nước, cung cấp những hiểu biết sâu sắc để phát triển các loại cây trồng chịu hạn.

Cây Arabidopsis thaliana được trồng trong phòng thí nghiệm Dinneny. Nguồn: Yue Rui.

Tóm tắt:

Tình trạng thiếu nước gây căng thẳng cho thực vật làm cho các tế bào của chúng co lại, nhưng các điểm neo nhỏ giữa màng tế bào và thành tế bào chống lại những tác động này – một phản ứng mà nhà thực vật học Karl Hecht đã mô tả vào năm 1912.

Các nhà nghiên cứu tại Stanford đã xác định được hai hệ thống protein đối lập quyết định số lượng các neo này: Bộ máy sản xuất cellulose lắp đặt chúng trong khi một phức hợp riêng biệt giới hạn số lượng được lắp đặt.

Các cây có nhiều điểm neo giữ phục hồi tốt hơn sau tình trạng thiếu nước, làm nổi bật một yếu tố chưa được nhận biết trước đây trong việc tạo ra các giống cây trồng có khả năng chống chịu stress.

Khả năng chống chịu thiếu nước ở thực vật từ lâu đã là một chủ đề được quan tâm trong việc trồng trọt các loại cây trồng đáng tin cậy. Một số loại cây có thể thay đổi cấu trúc trên mặt đất để giữ ẩm, trong khi những loại khác phát triển bộ rễ sâu, khỏe mạnh để tìm kiếm các nguồn nước khó tiếp cận. Mặc dù những phản ứng này rất dễ nhận thấy bằng mắt thường, nhưng chúng ta biết rất ít về cách các phản ứng với căng thẳng môi trường diễn ra ở cấp độ tế bào, vi mô.

Hơn một trăm năm trước, một nhà thực vật học người Đức tên là Karl Hecht đã ghi nhận hiện tượng màng tế bào thực vật tách rời khỏi thành tế bào khi thiếu nước. Tuy nhiên, một phần màng vẫn bám vào thành tế bào và tạo thành một mạng lưới các điểm neo kỳ lạ, được gọi là "cấu trúc Hechtian". Vật liệu và mục đích của những cấu trúc này đã làm các nhà khoa học bối rối cho đến gần đây.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu do Đại học Stanford dẫn đầu đã chứng minh rằng những điểm neo này giữ cho màng tế bào kết nối với thành tế bào trong quá trình mất nước và các tế bào thực vật có nhiều điểm neo hơn sẽ phục hồi tốt hơn khi nước được cung cấp trở lại.

Nghiên cứu, được công bố ngày 2 tháng 6 trên tạp chí Cell, mô tả cách "cỗ máy phân tử" xây dựng thành tế bào cũng tạo ra các điểm neo quan trọng này trong màng tế bào. Để có được cái nhìn sâu sắc về cấu trúc này, tác giả chính đồng thời là nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Yue Rui đã phải kiểm tra các tế bào rễ cây thông qua kỹ thuật chụp ảnh tế bào sống, lập bản đồ protein và so sánh các đột biến gen.

“Tôi thấy rất hài lòng khi có thể nghiên cứu một quá trình đã được mô tả trong hơn 100 năm và xác định được cơ sở phân tử của nó”, José Dinneny, giáo sư sinh học tại Trường Nhân văn và Khoa học, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Những hình ảnh rất đẹp và khả năng của Yue trong việc phân giải những thay đổi ở quy mô rất nhỏ trong cấu trúc tế bào là một niềm vui và một món quà khi được chứng kiến”.

Tiến hành 'khảo sát đột biến'

Rui bắt đầu khám phá mục đích của cấu trúc Hechtian bằng cách so sánh phản ứng với tình trạng thiếu nước giữa các giống Arabidopsis hoang dã và đột biến gen – một loại cây nhỏ, mọc hoang dại với nhiều điểm tương đồng với các loại cây lương thực và cây trồng năng lượng sinh học phổ biến. Giống như các tế bào trong cơ thể chúng ta, tế bào thực vật được xác định bởi màng sinh chất chứa các thành phần bên trong thực hiện các chức năng tế bào quan trọng. Ngoài ra, tế bào thực vật được bao bọc bởi thành tế bào, giống như “một quả bóng trong hộp”, theo Dinneny. Thông thường, quả bóng được bơm đầy nước và các chất hòa tan ép vào thành hộp. Khi tế bào thực vật chịu áp lực và mất nước, giống như áp suất được giải phóng khỏi quả bóng. Tuy nhiên, trong tế bào thực vật, màng không tách rời hoàn toàn và các phần của quả bóng vẫn dính vào thành hộp.

Tế bào thực vật có thể được mô phỏng như một quả bóng trong hộp, trong đó màng sinh chất và các thành phần bên trong tế bào là quả bóng và các thành phần bên trong, còn thành tế bào là hộp thủy tinh. Trong điều kiện không bị căng thẳng, quả bóng được ép sát vào thành tế bào và được giữ cố định bởi các liên kết giữa thành tế bào và màng tế bào. Dưới điều kiện thiếu nước, nước thoát ra khỏi tế bào, ở đây được mô phỏng như một quả bóng bị xẹp một phần, nhưng vẫn còn phồng một phần do sự hiện diện của các điểm bám. Tuy nhiên, khi các điểm bám này bị loại bỏ, tế bào mất nhiều nước hơn, ở đây được mô phỏng như một quả bóng xẹp hoàn toàn hơn. Nguồn: José Dinneny sử dụng ChatGPT.

Để nghiên cứu kỹ hơn những sợi dây liên kết dính này, Rui đã hợp tác với Peter Dahlberg, trợ lý giáo sư tại Ban Khoa học Photon thuộc Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia SLAC và Khoa Sinh học Cấu trúc thuộc Trường Y khoa Stanford, để tiến hành quét chụp cắt lớp điện tử đông lạnh (cryoET), một kỹ thuật hình ảnh cho phép tái tạo 3D các mẫu vật ở mức độ chi tiết gần như nguyên tử.

“Hình ảnh cryoET trong bài báo này phản ánh những phương pháp tiên tiến nhất để khám phá sinh học tế bào ở quy mô nanomet”, Dinneny cho biết. “Vì vậy, bài báo này đã khép lại một cách trọn vẹn việc ứng dụng kính hiển vi tiên tiến trong sinh học, từ những quan sát ban đầu của Karl Hecht đến những quan sát về cấu trúc Hechtian bằng CryoET”.

Dệt nên sự kiên cường

Rui nhận thấy rằng những cây có khả năng duy trì nhiều sợi liên kết hơn trong điều kiện căng thẳng sẽ phục hồi tốt hơn nhiều so với những cây có ít sợi liên kết hơn.

Những manh mối về danh tính phân tử của các sợi neo đến từ việc xác định sự khác biệt giữa các chủng di truyền. Các cây đột biến thiếu cellulose cho thấy sự phát triển rễ tối thiểu và khả năng chống chịu stress kém nhất, dẫn đến việc Rui và Dinneny tin rằng cellulose và các enzyme sản xuất ra nó là thành phần chính trong các sợi neo này. Hình ảnh tế bào sống, di truyền học và lập bản đồ protein đã tiết lộ vai trò của hai protein quan trọng: phức hợp cellulose synthase (CSC) và remorin (REM). Các protein này hoạt động theo cách ngược nhau, trong đó CSC tăng cường sự gắn kết của màng với thành tế bào, trong khi REM hoạt động như một phanh hãm, hạn chế số lượng protein CSC có mặt tại mỗi vị trí gắn kết.

Các CSC hoạt động như những người thợ dệt ở cấp độ nano, khâu một sợi cellulose xung quanh tế bào giống như một cái kén. Khi CSC đặt các sợi cellulose xuống, nó cũng neo màng tế bào vào thành tế bào trong quá trình khâu. Mặt khác, các REM hoạt động như một bàn tay kéo chúng ra, kiểm soát số lượng mũi khâu giữ được tại bất kỳ thời điểm nào. Khi thiếu REM, số lượng CSC trong màng tế bào tăng lên và neo màng tế bào vào thành tế bào chắc chắn hơn trong điều kiện căng thẳng. Việc xác định vai trò của từng protein trong chiến lược sinh tồn này mở ra nhiều khả năng trong việc kỹ thuật sinh học để tạo ra các loại cây trồng tốt hơn. Sự mất nước của tế bào xảy ra trong điều kiện hạn hán, độ mặn, nhiệt độ cao và đóng băng, vì vậy việc hiểu cách tế bào thực vật đối phó với sự mất nước như vậy trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết khi biến đổi khí hậu ngày càng trở nên nghiêm trọng.

Rui nói: “Đối với tôi, hướng nghiên cứu thú vị tiếp theo là quan sát cơ chế này ở những loài có khả năng chịu hạn tốt hơn nữa và xem liệu chúng có các vị trí gắn màng ổn định hơn hoặc dày đặc hơn hay không,”. Các nghiên cứu trong tương lai cũng có thể bao gồm việc kiểm tra các điểm gắn kết này ở cây Arabidopsis ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của nó, chẳng hạn như ở hạt khô có thể để trên kệ nhiều năm mà vẫn có thể phát triển thành cây sau này.

Nhìn chung, Dinneny rất thích thú khi phát hiện ra rằng các tế bào thực vật này sử dụng cellulose vừa làm vật liệu xây dựng vừa làm nguồn sống.

“Sự sống và quá trình tiến hóa của sinh vật luôn mang tính chất mày mò, thử nghiệm”, Dinneny nói. “Tế bào thực vật sử dụng cùng một bộ máy protein để xây dựng thành tế bào, đồng thời duy trì khả năng phục hồi của tế bào dưới điều kiện thiếu nước, điều này cho thấy sự sáng tạo đa diện phong phú trong tự nhiên”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Stanford.