Protein di động bí mật đóng kín khí khổng trên lá - và cứu cây trồng

Một loại protein đáng ngạc nhiên ở thực vật giúp chúng giữ nước trong thời kỳ hạn hán bằng cách kiểm soát thời điểm khí khổng trên lá đóng lại. Nếu không có protein này, thực vật sẽ khó tồn tại trong điều kiện khô hạn. Nguồn: Shutterstock.

Với sự nóng lên toàn cầu và biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng, hạn hán đã trở thành mối đe dọa lớn đối với nông nghiệp toàn cầu, ảnh hưởng đến năng suất cây trồng và an ninh lương thực. Để tồn tại qua những biến cố bất lợi như vậy, thực vật đã phát triển một số chiến lược. Một trong những chiến lược như vậy để chống lại tình trạng khan hiếm nước là “đóng khí khổng”, trong đó khí khổng - những lỗ khí nhỏ trên bề mặt lá chịu trách nhiệm trao đổi khí - đóng lại để hạn chế mất nước. Quá trình này được điều chỉnh bởi hormone thực vật axit abscisic (ABA), đóng vai trò quan trọng trong cơ chế phản ứng với stress bên trong của thực vật.

Mặc dù vai trò của ABA trong phản ứng với hạn hán đã được xác định rõ ràng, các nhà nghiên cứu hiện đã xác định được một yếu tố góp phần vô cùng ngạc nhiên vào quá trình này: myosin XI, một protein di động vốn được biết đến với chức năng vận chuyển các thành phần tế bào. Để khám phá điều này, một nhóm các nhà nghiên cứu do giáo sư Motoki Tominaga từ Đại học Waseda, Nhật Bản dẫn đầu, đã tiến hành một nghiên cứu nhằm xác định xem myosin XI có đóng góp tích cực vào phản ứng hạn hán ở thực vật hay không và tìm hiểu các quá trình liên quan. “Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã gợi ý về sự tham gia tiềm năng của myosin XI vào phản ứng hạn hán, nhưng cơ chế cơ bản vẫn chưa rõ ràng”, Tominaga chia sẻ. Những phát hiện của nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Plant Cell Reports. Nghiên cứu sinh Haiyang Liu, cũng đến từ Đại học Waseda là đồng tác giả nghiên cứu.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng cây Arabidopsis thaliana làm cây mô hình để nghiên cứu vai trò của myosin XI trong phản ứng hạn hán. Họ đã sử dụng các cây biến đổi gen thiếu một, hai (2ko) hoặc cả ba (3ko) gen myosin XI chính. Sau đó, chúng được so sánh với các cây hoang dại qua một số thử nghiệm, bao gồm phân tích khả năng sống sót sau hạn hán, đo lường mất nước, phân tích lỗ khí khổng và độ nhạy của ABA. Họ cũng theo dõi sản xuất các loài oxy phản ứng (ROS), hình ảnh hóa các vi ống bằng các dấu hiệu huỳnh quang và theo dõi biểu hiện của các gen đáp ứng ABA thông qua qRT-PCR. Phương pháp tiếp cận toàn diện này cho phép họ đánh giá việc đóng góp chức năng của myosin XI vào khả năng chịu hạn và tín hiệu ABA ở thực vật.

Kết quả thật đáng kinh ngạc. Thực vật thiếu myosin XI, đặc biệt là các đột biến 2ko và 3ko, cho thấy tỷ lệ mất nước cao hơn, khí khổng đóng kém và khả năng sống sót thấp hơn trong điều kiện hạn hán. Chúng cũng kém đáp ứng với ABA hơn, thể hiện ở tỷ lệ nảy mầm cao hơn và giảm ức chế sinh trưởng rễ khi xử lý bằng hormone. Ở cấp độ tế bào, các đột biến này biểu hiện giảm sản xuất ROS cũng như phá vỡ quá trình tái cấu trúc vi ống, cả hai đều cần thiết cho quá trình đóng khí khổng do ABA gây ra. Các gen liên quan đến ức chế chính cũng cho thấy sự biểu hiện giảm, cho thấy myosin XI đóng vai trò điều hòa trong tín hiệu ABA.

Những phát hiện này cho thấy myosin XI không chỉ là một protein vận chuyển mà còn tích cực hỗ trợ khả năng phòng vệ hạn hán của thực vật bằng cách điều phối tín hiệu ROS, tái cấu trúc vi ống và kích hoạt gen trong các tế bào bảo vệ. Điều này cho phép thực vật đóng khí khổng hiệu quả hơn và tiết kiệm nước. “Người ta phát hiện ra rằng ở nhiều đột biến của myosin XI ở thực vật, tốc độ mất nước trong thời kỳ hạn hán nhanh hơn gấp bốn lần so với loại hoang dại”, Tominaga lưu ý. “Phát hiện này mở ra một góc nhìn mới về cách thực vật thích nghi với những thay đổi của môi trường”.

Nghiên cứu này trình bày một số đột phá quan trọng và mở đường cho những hướng nghiên cứu mới. Nó tiết lộ vai trò chưa từng được công nhận của myosin XI trong phản ứng với ức chế phi sinh học ở thực vật, cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về cách các hệ thống vận chuyển nội bào hỗ trợ thích nghi với môi trường. Ngoài ra, nó còn xác định mục tiêu phân tử đầy hứa hẹn để tăng cường khả năng chống chịu hạn ở cây trồng.

“Khám phá này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy nghiên cứu cơ bản về cách thực vật phản ứng với điều kiện bất thuận và góp phần phát triển các công nghệ cải thiện hiệu quả sử dụng nước ở các loại cây trồng ở những vùng dễ bị hạn hán”, Tominaga chia sẻ. “Chúng tôi đặt mục tiêu tiếp tục phát triển nghiên cứu của mình để kiến thức này có thể được áp dụng vào các công nghệ nông nghiệp hỗ trợ canh tác trong bối cảnh biến đổi khí hậu”, ông nói thêm.

Tóm lại, nghiên cứu này khám phá myosin XI là một yếu tố quan trọng trong phản ứng hạn hán của thực vật, liên kết cơ chế vận chuyển tế bào với tín hiệu hormone. Khi áp lực khí hậu ngày càng gia tăng, những hiểu biết sâu sắc như thế này mở ra những hướng đi đầy hứa hẹn để phát triển các loại cây trồng bền vững, tiết kiệm nước cho một thế giới đang thay đổi.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.