Quang hô hấp góp phần vào cơ chế điều hòa biểu sinh ở thực vật

Quang hô hấp là một quá trình chuyển hóa nội bào, trong đó thực vật giải phóng khí carbon dioxide (CO₂) và tiêu thụ oxy (O₂) khi có ánh sáng. Trước đây, quá trình này thường được xem là một sản phẩm phụ kém hiệu quả của quang hợp. Tuy nhiên, theo các nghiên cứu gần đây của các nhà khoa học đến từ Viện Helmholtz Munich, Đại học Kỹ thuật Munich và Đại học Heidelberg, quang hô hấp thực chất đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hệ biểu sinh của thực vật – hệ thống kiểm soát việc bật hoặc tắt các gen nhằm đáp ứng với các tác động từ môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy quang hô hấp cung cấp các nguyên tử carbon cần thiết cho quá trình biến đổi DNA của thực vật dưới ảnh hưởng của môi trường.

Trong các thí nghiệm trên cây cải xoong, một sinh vật mô hình trong sinh học thực vật, các nhà nghiên cứu đã khảo sát mối liên hệ tiềm năng giữa quang hô hấp, chuyển hóa một carbon (C1) và cơ chế được gọi là methyl hóa DNA. Đây là một cơ chế biểu sinh cho phép thực vật thích nghi với môi trường sống. Dưới tác động của các enzyme, các nhóm methyl nhỏ được gắn vào những đơn vị cấu trúc cụ thể của DNA thực vật. Là các dấu hiệu hóa học, chúng đảm bảo rằng hoạt động của một số gen bị suy giảm hoặc bị tắt hoàn toàn. Các nhóm methyl này được hình thành trong quá trình chuyển hóa C1.

“Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tồn tại mối liên hệ về mặt chuyển hóa giữa quang hô hấp và cơ chế điều hòa biểu sinh ở thực vật”, theo Rüdiger Hell, Trưởng nhóm nghiên cứu “Sinh học phân tử thực vật” tại Trung tâm Nghiên cứu Sinh vật học thuộc Đại học Heidelberg. Cùng với Markus Wirtz, người nghiên cứu về các phản ứng sinh lý của thực vật dưới điều kiện bất lợi, ông đã tiến hành định lượng các chất chuyển hóa quan trọng liên quan.

Bằng các phân tích trên quy mô toàn bộ hệ gen, các nhà nghiên cứu tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nồng độ carbon dioxide (CO₂) tăng cao đến hệ methyl hóa (methylome) – tức toàn bộ các vị trí methyl hóa DNA trong bộ gen của thực vật. CO₂ có tác dụng ức chế quang hô hấp, từ đó làm giảm quá trình hình thành các chất chuyển hóa C1. Kết quả là hệ methyl hóa của cây cải xoong đã thay đổi, đặc biệt rõ rệt khi các nguồn cung cấp C1 thay thế cũng bị hạn chế.

Do đó, quang hô hấp không chỉ đơn thuần là một sản phẩm phụ lãng phí của quá trình quang hợp, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh. Là nguồn cung cấp các chất chuyển hóa C1, nó còn là một cơ chế quan trọng trong việc kiểm soát biểu sinh của thực vật. “Kết hợp các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho phép hiểu rõ hơn về cách nồng độ CO₂ tăng cao và những thay đổi môi trường có thể ảnh hưởng đến sự điều chỉnh bộ gen thực vật. Chúng ta cũng có thể suy ra những phương pháp tiếp cận mới tiềm năng cho các chiến lược trong tương lai nhằm tối ưu hóa cây trồng”, tiến sỹ Martin Groth, người chỉ đạo công trình nghiên cứu tại Viện Helmholtz Munich, nhấn mạnh.

Liên minh châu Âu và Quỹ Nghiên cứu Đức đã tài trợ cho nghiên cứu này. Kết quả đã được công bố trên tạp chí “Nature Plants”.

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Heidelberg.