Nghiên cứu mới khám phá các mô hình trong sự ức chế tối của Rubisco

Trong nỗ lực hiểu rõ hơn về cách điều chỉnh quá trình quang hợp ở thực vật, các nhà khoa học đang nghiên cứu cách hoạt động của Rubisco phản ứng với ánh sáng. Trong một nghiên cứu phân tích tổng hợp mới, một nhóm từ dự án Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE) tại Đại học Lancaster đã xác định được mối liên hệ tiềm năng giữa loại con đường quang hợp và tốc độ ức chế trong bóng tối.

Rubisco, loại enzyme dồi dào nhất trên Trái đất, rất cần thiết cho quá trình quang hợp. Nó lấy carbon dioxide từ khí quyển và tạo ra các phân tử đường có thể sử dụng được. Ở nhiều loài thực vật, một phân tử ức chế hoạt động về đêm gọi là CA1P tích tụ trong bóng tối và ánh sáng yếu, ngăn chặn hoạt động của Rubisco. Khi có ánh sáng, CA1P bị phân giải và hoạt động của Rubisco được phục hồi. Hiện tượng này được gọi là "ức chế bóng tối". Nồng độ CA1P, và do đó tỷ lệ ức chế bóng tối, thay đổi rất nhiều giữa các loài thực vật, ngay cả giữa những loài có quan hệ gần gũi. Tại sao thực vật lại có cơ chế bật/tắt này, và tại sao mức độ phổ biến của nó lại khác nhau nhiều giữa các loài, vẫn chưa được hiểu rõ.

Các nhà nghiên cứu Connor Nehls-Ramos và phó giáo sư Doug Orr thuộc Đại học Lancaster đã bắt đầu tìm hiểu mối liên hệ tiến hóa cho sự biến đổi rộng rãi về tỷ lệ ức chế quang hợp trong bóng tối ở tất cả các loài thực vật có hoa. Hiểu sâu hơn về cách thức và lý do CA1P điều chỉnh hoạt động của Rubisco có thể giúp ích cho những nỗ lực trong tương lai nhằm cải tiến quá trình quang hợp ở cây trồng, giúp nâng cao năng suất và hiệu quả.

“Nếu nhìn nhận vấn đề này từ góc độ tiến hóa, chúng ta có thể tìm thấy một số xu hướng thích nghi khác nhau giữa các nhóm thực vật,” Nehls-Ramos nói. “Chúng ta có rất nhiều câu hỏi về chất ức chế ban đêm này. Tại sao một số loài thực vật lại mang đặc điểm này trong khi những loài khác dường như không có khả năng ức chế trong bóng tối? Khả năng ức chế trong bóng tối là một điều mới mẻ, hay là sự kế thừa từ một quá trình trao đổi chất cổ xưa hơn? Liệu các mức độ ức chế khác nhau này có cho thấy điều gì đó tinh tế hơn trong sự điều hòa của lục lạp?”.

Để nghiên cứu, nhóm đã tổng hợp dữ liệu về sự ức chế trong bóng tối của 157 loài thực vật có hoa thuộc 14 bộ, dựa trên 45 nguồn đã được công bố, biến đây trở thành một trong những tổng hợp dữ liệu toàn diện nhất cho đến nay.

“Việc thu thập dữ liệu về ức chế trong bóng tối không phải là một nhiệm vụ dễ dàng”, Nehls-Ramos cho biết. “Có hai hạn chế chính: Sự khác biệt về phương pháp luận giữa các nghiên cứu và thiếu các công trình nghiên cứu hiện tại sử dụng các phương pháp tương tự để so sánh. Mặc dù hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng các kỹ thuật tương tự, nhưng sự khác biệt về phương pháp đồng nghĩa với việc phức tạp hơn và cần phải xem xét thêm. Hầu hết dữ liệu chúng tôi có cũng đã cũ, trước năm 2000. Chúng tôi hy vọng rằng công trình nghiên cứu hiện tại của chúng tôi có thể truyền cảm hứng cho các nghiên cứu trong tương lai nhằm lấp đầy những khoảng trống này”.

Mặc dù không có một mô hình tiến hóa thống nhất nào xuất hiện trên toàn bộ cây phả hệ thực vật có hoa, dữ liệu đã tiết lộ những khác biệt liên quan đến chiến lược quang hợp. Thực vật thực hiện quang hợp C3, được hầu hết các loài thực vật sử dụng, trực tiếp cố định CO₂ thành các phân tử đường và thể hiện mức độ ức chế tối khác nhau. Thực vật C4, phân tách các bước quang hợp trong không gian để cải thiện hiệu quả trong môi trường nóng, hầu hết có rất ít hoặc không có sự ức chế tối. Ngược lại, thực vật CAM, tiến hóa để cố định CO2 vào ban đêm nhằm tiết kiệm nước trong khí hậu khô hạn, thường được phát hiện có mức độ ức chế tối cao hơn.

Ông Orr cho biết: “Khả năng liên quan giữa mức độ ức chế trong bóng tối và kiểu quang hợp là khá thú vị và là điều chúng tôi không lường trước được. Những phát hiện này cho thấy các nghiên cứu trong tương lai cần xem xét các kiểu quang hợp khác nhau như một yếu tố có thể giúp hiểu rõ hơn vai trò của sự ức chế trong bóng tối”.

Các nhà nghiên cứu hy vọng nghiên cứu này sẽ khuyến khích những người khác trong lĩnh vực này nghiên cứu tỷ lệ ức chế trong bóng tối ở nhiều loài thực vật hơn.

“Đây là một bài báo vừa chỉ ra những hiểu biết mới về cơ chế này, vừa có khả năng kết nối với các cơ chế trao đổi chất cơ bản hơn trong lục lạp”, Nehls-Ramos cho biết. “Tôi nghĩ đây có thể là một góc nhìn để hiểu cách thức hoạt động của lục lạp và quá trình quang hợp mà chúng ta vẫn chưa khai thác hết. Nó có thể chỉ ra các cơ chế điều hòa lục lạp khác chưa được khám phá, điều này có thể giúp phát triển các giống cây trồng năng suất cao hơn và hiệu quả hơn”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo RIPE.