Phân tử vi sinh vật làm chậm quá trình lão hóa thực vật

Một cơ chế điều khiển mới được phát hiện do vi khuẩn ký sinh sử dụng để làm chậm quá trình già hóa ở thực vật, có thể khơi gợi những phương pháp mới nhằm bảo vệ các loại cây lương thực bị dịch bệnh đe dọa.

 

Hiệu ứng Phytoplasma SAP05 tạo ra "chổi phù thủy" ở cây Arabidopsis.  Nguồn: Weijie Huang, Trung tâm John Innes.

 

Sinh vật ký sinh sẽ điều khiển các sinh vật ký chủ sao cho phù hợp với nhu cầu của chúng, đôi khi theo những cách quyết liệt. Khi bị ký sinh trùng phù phép, một số loài thực vật trải qua những thay đổi sâu rộng đến mức chúng được mô tả là "xác sống". Chúng ngừng sinh sản và chỉ đóng vai trò là nơi cư trú và là ký chủ cho các mầm bệnh ký sinh.

Cho đến nay, vẫn còn rất ít hiểu biết về cách mà hiện tượng này xảy ra ở cấp độ cơ học và phân tử.

Nghiên cứu của nhóm Hogenhout ở Trung tâm John Innes và các cộng sự được công bố trên Tạp chí Cell, đã xác định được phân tử điều khiển do vi khuẩn Phytoplasma tạo ra để chiếm đoạt sự phát triển của thực vật. Khi ở bên trong cây, protein này khiến các chất điều hòa sinh trưởng quan trọng bị phá vỡ, gây ra sự phát triển bất thường.

Vi khuẩn Phytoplasma thuộc nhóm vi khuẩn nổi tiếng với khả năng tái lập trình sự phát triển của cây ký chủ. Nhóm vi khuẩn này thường là nguyên nhân gây ra những chiếc “chổi phù thủy”, được thấy trên cây, nơi mà có quá nhiều cành mọc gần nhau.

Những búi chồi cây rậm rạp này là kết quả của việc cây bị mắc kẹt trong trạng thái "xác sống" thực vật, không thể sinh sản và do đó tiến tới trạng thái “trẻ mãi không già”.

Vi khuẩn phytoplasma cũng có thể gây ra bệnh hại tàn phá cây trồng, chẳng hạn như bệnh biến vàng (Aster Yellows), gây tổn thất năng suất đáng kể ở cả cây lấy hạt và cây ăn lá như: rau diếp, cà rốt và ngũ cốc.

Giáo sư Saskia Hogenhout, tác giả thông tin của nghiên cứu cho biết: "Phytoplasmas là một ví dụ ngoạn mục về phương pháp tiếp cận gen, có thể mở rộng ra ngoài các loại sinh vật để tác động đến môi trường xung quanh”.

"Phát hiện của chúng tôi đã làm sáng tỏ một cơ chế phân tử ẩn sau kiểu hình mở rộng này theo cách có thể giúp giải quyết một vấn đề lớn đối với sản xuất lương thực. Chúng tôi nêu bật một chiến lược đầy hứa hẹn cho các cây trồng công nghệ nhằm đạt được mức độ chống chịu lâu bền của cây trồng đối với các loại phytoplasmas ".

Những phát hiện mới cho thấy cách thức protein vi khuẩn, được gọi là SAP05, điều khiển cây trồng bằng cách tận dụng một số bộ máy phân tử của chính vật chủ.

Bộ máy này, được gọi là proteasome, thường phá huỷ các protein không còn cần thiết bên trong tế bào thực vật. SAP05 chiếm đoạt và điều khiển quá trình này, khiến các protein thực vật quan trọng trong việc điều hoà sinh trưởng và phát triển, bị ném vào trung tâm phục hồi phân tử một cách hiệu quả.

Nếu không có những protein này, sự phát triển của thực vật sẽ được tái lập trình để tạo điều kiện thuận lợi cho vi khuẩn, kích hoạt sự phát triển của nhiều chồi và mô sinh dưỡng và làm cho quá trình già đi của cây bị ngưng lại.

Thông qua các thí nghiệm di truyền và sinh hóa trên cây mô hình Arabidopsis thaliana, nhóm nghiên cứu đã khám phá chi tiết vai trò của SAP05.

Điều thú vị là SAP05 liên kết trực tiếp với cả các protein phát triển thực vật và proteasome. Liên kết trực tiếp là một phương pháp mới được phát hiện để phân hủy protein. Thông thường, các protein bị phân hủy bởi proteasome được gắn thẻ trước với một phân tử có tên là ubiquitin, nhưng trường hợp này không xảy ra ở nơi có sự thao túng của SAP05.

Các protein phát triển thực vật được SAP05 nhắm đến tương tự như các protein cũng được tìm thấy ở động vật. Nhóm nghiên cứu tò mò muốn biết liệu SAP05 có ảnh hưởng đến côn trùng truyền bệnh vi khuẩn ở thực vật hay không. Họ phát hiện ra rằng cấu trúc của các protein vật chủ này ở động vật đủ khác nhau để chúng không tương tác với SAP05 và do đó SAP05 không ảnh hưởng đến côn trùng.

Tuy nhiên, cuộc điều tra này cho phép nhóm nghiên cứu tìm ra rằng, chỉ có hai axit amin trong đơn vị proteasome cần thiết để tương tác với SAP05. Nghiên cứu của họ cho thấy rằng nếu trong protein thực vật được chuyển sang có hai axit amin mà được thấy trong thành phần protein côn trùng, thì chúng sẽ không bị phân hủy bởi SAP05 nữa, điều này có tác dụng ngăn chặn sự phát triển bất thường của “chổi phù thủy”.

Phát hiện này cho thấy khả năng chỉ cần ngắt hai axit amin này ở cây trồng, ví dụ bằng cách sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen, để cung cấp khả năng phục hồi bền vững đối với phytoplasmas và các tác động của SAP05.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo Phys.org