Phát hiện protein vận chuyển bị thiếu: Cách cây lúa phân phối sắt đến lá non

So với cây lúa hoang (bên trái), các dòng đột biến với gen OsIET1 không hoạt động bắt đầu tích tụ sắt tại các đốt thay vì phân phối lại đến lá non và hạt đang phát triển. Trong các hình ảnh này, sắt được hiển thị bằng màu xanh lam.

Sắt (Fe) là một vi chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự sinh trưởng khỏe mạnh của thực vật, bao gồm nhiều loại cây lương thực chủ lực như lúa. Tình trạng thiếu sắt vẫn là một vấn đề nông nghiệp phổ biến, làm giảm năng suất cây trồng do gây suy giảm quá trình quang hợp, hô hấp và chuyển hóa nitơ. Vì vậy, việc thiết lập các cơ chế giúp cây trồng có thể hấp thụ và sử dụng sắt một cách hiệu quả, đặc biệt trong điều kiện đất kiềm, là một thách thức mang tính sống còn đối với an ninh lương thực toàn cầu.

Cách sắt di chuyển trong cây lúa

Việc đưa sắt (Fe) vào rễ chỉ là bước đầu tiên; khoáng chất này sau đó phải được phân phối hợp lý khắp toàn cây, đặc biệt đến các lá non, hạt đang phát triển và những mô tăng trưởng tích cực khác. Quá trình này được hỗ trợ bởi các đốt (nodes) của cây, vốn hoạt động như những trung tâm điều phối khoáng chất nhờ hệ thống mạch chuyên biệt.

Cụ thể hơn, các đốt phải phân chia Fe một cách cẩn trọng giữa các bó mạch lớn (EVB), cung cấp cho những phần già của cây, và các bó mạch phân tán (DVB), vận chuyển dinh dưỡng đến các mô mới. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về các quá trình này, protein vận chuyển sắt chịu trách nhiệm giải phóng Fe vào DVB vẫn còn là một bí ẩn — cho đến nay.

Phát hiện chất vận chuyển OsIET1

Trong một nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu tại Đại học Okayama, Nhật Bản do giáo sư Jian Feng Ma dẫn dắt đã thành công trong việc xác định mắt xích còn thiếu này. Bài báo của họ, được công bố trực tuyến trên Nature Communications ngày 11 tháng 11 năm 2025, với sự đồng tác giả của Sheng Huang và Naoki Yamaji, mô tả chức năng của một loại protein mới được đặc trưng có tên OsIET1 (Oryza sativa Iron Efflux Transporter 1).

Các nhà nghiên cứu tập trung vào gen OsIET1 sau khi phân tích biểu hiện gen trước đó cho thấy gen này được biểu hiện mạnh ở các đốt (nodes). Bằng cách sử dụng nhiều kỹ thuật phân tích phân tử và tế bào, nhóm nghiên cứu xác định rằng OsIET1 mã hóa một protein nằm ở màng sinh chất, khác với các gen tương đồng gần gũi của nó.

Thông qua các thí nghiệm chức năng, nhóm nghiên cứu chứng minh rằng OsIET1 hoạt động như một chất vận chuyển dòng ra đối với sắt dạng ferrous, nghĩa là nó chủ động bơm Fe ra khỏi tế bào. Sự biểu hiện của OsIET1 được phát hiện là đặc hiệu tại vùng mạch gỗ (xylem) của DVB, nơi Fe cần được tái nạp để phân phối đến các mô đang phát triển.

Vai trò sinh học và ý nghĩa đối với nông nghiệp

Để xác nhận vai trò sinh học của OsIET1, các nhà nghiên cứu đã tạo ra các dòng lúa knockout trong đó gen OsIET1 bị bất hoạt. Những cây đột biến này cho thấy dấu hiệu rõ ràng của sự phân bố sắt bất thường: hàm lượng Fe giảm đáng kể ở lá non và hạt, nhưng lại tích tụ nhiều ở các đốt và lá già.

Ở giai đoạn sinh dưỡng, điều này khiến lá mới xuất hiện hiện tượng vàng lá (chlorosis). Ở giai đoạn sinh sản, các cây đột biến gặp vấn đề về sinh trưởng và, quan trọng nhất, cho thấy sự sụt giảm nghiêm trọng về năng suất hạt.

Nhìn chung, việc xác định OsIET1 đã lấp đầy một khoảng trống kiến thức quan trọng, hoàn thiện bức tranh về cách cây lúa quản lý và ưu tiên việc phân phối Fe. Giáo sư Ma nhận xét: “Với vai trò then chốt của các đốt trong việc phân phối khoáng chất, kết quả của chúng tôi cho thấy OsIET1 đóng vai trò trung gian trong quá trình vận chuyển Fe giữa các bó mạch, đảm bảo Fe được ưu tiên cung cấp cho các mô đang phát triển, từ đó thúc đẩy sự sinh trưởng và năng suất tối ưu của cây”.

Nghiên cứu này có những ý nghĩa thú vị đối với quản lý và phát triển cây trồng. OsIET1 hiện được xem là một mục tiêu phân tử có giá trị cho các chương trình lai tạo và nỗ lực kỹ thuật di truyền. Bằng cách điều chỉnh hoặc tối ưu hóa chất vận chuyển này, các nhà khoa học có thể cải thiện sự phân phối Fe trong cây lúa, giúp cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn trên đất thiếu sắt. Đáng chú ý, công trình này cũng mở ra những hướng nghiên cứu mới về các chất vận chuyển Fe.

Giáo sư Ma kết luận: “Các gen tương đồng khác của OsIET1 vẫn chưa được đặc trưng. Việc nghiên cứu vị trí dưới tế bào của các gen này có thể mang lại những hiểu biết sâu hơn về các vai trò khác nhau của nhóm gen này trong vận chuyển Fe trong tương lai”. Điều này gợi ý rằng vẫn còn nhiều khám phá mới về cơ chế vận chuyển khoáng chất ở thực vật đang chờ phía trước.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org