Thực vật phản ứng tức thì khi cường độ ánh sáng tăng cao

Thực vật không mất hàng giờ để phản ứng với ánh sáng mặt trời cường độ cao mà chỉ cần vài phút để thích nghi. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Bielefeld và Đại học Quốc gia Australia đã phát hiện một con đường truyền tín hiệu mới, cho phép thực vật điều chỉnh trực tiếp quá trình tổng hợp protein trước khi các gen trong nhân tế bào thay đổi hoạt động. Phát hiện này mở ra triển vọng phát triển các giống cây trồng có khả năng thích ứng tốt hơn với biến đổi khí hậu.

Những điểm nổi bật của nghiên cứu:

• Thực vật điều chỉnh có chọn lọc quá trình tổng hợp protein chỉ trong 10 phút khi gặp điều kiện ánh sáng cường độ cao.

• Các đoạn trình tự ngắn trên RNA thông tin đóng vai trò như những công tắc phân tử.

• Cơ chế này có thể giúp tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng trước các tác động bất lợi do khí hậu.

Thoạt nhìn, thực vật dường như phản ứng rất chậm với những thay đổi của môi trường. Tuy nhiên, trên thực tế, chúng có thể phản ứng chỉ trong vài giây. Sự gia tăng đột ngột của cường độ ánh sáng là một trong những tác nhân gây bất lợi nhất vì có thể làm rối loạn quá trình quang hợp và gây tổn thương tế bào. Một nghiên cứu sắp được công bố trên tạp chí Molecular Plant đã làm sáng tỏ cách thực vật phản ứng nhanh chóng và chính xác trước điều kiện này.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng thực vật có thể tái lập chương trình tổng hợp protein chỉ trong vài phút, sớm hơn rất nhiều so với thời điểm hoạt động của các gen trong nhân tế bào thay đổi”, tiến sỹ Marten Moore, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. Ông bắt đầu thực hiện nghiên cứu tại Đại học Bielefeld trước khi tiếp tục công việc tại Đại học Quốc gia Australia ở Canberra. “Điều này cho thấy chúng tôi đã phát hiện thêm một tầng điều hòa hoàn toàn mới với tốc độ phản ứng rất nhanh”.

Điều hòa trực tiếp thay vì thông qua hoạt hóa gen

Trước đây, các nhà khoa học cho rằng lục lạp – bào quan thực hiện quang hợp trong tế bào thực vật – sẽ gửi tín hiệu đến nhân tế bào. Tại đây, các gen được hoạt hóa để khởi động các cơ chế bảo vệ. Tuy nhiên, quá trình này cần thời gian vì trước tiên tế bào phải tổng hợp các phân tử RNA thông tin mới.

Nghiên cứu của nhóm khoa học tại Bielefeld và Canberra cho thấy thực vật còn sở hữu một cơ chế phản ứng nhanh hơn nhiều: điều chỉnh trực tiếp quá trình tổng hợp protein.

Protein là những phân tử đảm nhiệm hầu hết các chức năng của tế bào. Chúng được tạo thành khi ribosome "đọc" thông tin di truyền trên RNA thông tin (mRNA) và dịch mã thành protein. Khi gặp điều kiện ánh sáng cường độ cao, thực vật sẽ nhanh chóng điều chỉnh lại quá trình dịch mã.

Chỉ trong khoảng 10 phút, mô hình dịch mã của các phân tử mRNA thay đổi đáng kể. Đặc biệt, các protein thiết yếu cho hoạt động quang hợp trong lục lạp được tổng hợp với nhiều hơn. Nhờ đó, cây có thể tự bảo vệ trước hiện tượng ức chế quang hợp – tình trạng hệ thống quang hợp bị suy giảm chức năng do ánh sáng quá mạnh.

Lục lạp điều hòa trực tiếp quá trình dịch mã trong tế bào chất khi môi trường thay đổi, cho phép thực vật nhanh chóng và gần như ngay lập tức thích nghi với các điều kiện mới.

Những đoạn RNA ngắn nhưng có vai trò quyết định

Quá trình tái lập chương trình tổng hợp protein này được kích hoạt bởi các đoạn trình tự ngắn nằm ở đầu phân tử mRNA. Những đoạn trình tự này đóng vai trò là vị trí gắn kết của enzyme GAPDH, một enzyme vốn được biết đến với chức năng trong quá trình chuyển hóa đường.

Tùy thuộc vào cường độ ánh sáng, enzyme GAPDH sẽ gắn vào hoặc tách khỏi phân tử mRNA. Theo đó, enzyme này hoạt động như một "công tắc phân tử", giúp tăng hoặc giảm quá trình tổng hợp protein.

Nhóm nghiên cứu không chỉ xác nhận cơ chế này ở cây mô hình Arabidopsis mà còn ở loài kê Setaria viridis. Điều này cho thấy cơ chế trên có thể phổ biến ở nhiều loài thực vật khác nhau.

Nghiên cứu là kết quả của sự hợp tác khoa học kéo dài nhiều năm. Giả thuyết ban đầu được nhóm nghiên cứu do giáo sư Karl-Josef Dietz tại Đại học Bielefeld đề xuất từ khoảng 18 năm trước. Dự án được tài trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Đức (DFG) cùng Hội đồng Nghiên cứu Australia.

Trong bối cảnh các hiện tượng thời tiết cực đoan ngày càng gia tăng, phát hiện này mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Thực vật hiện phải đối mặt thường xuyên hơn với ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao và hạn hán. Hiểu được cách chúng thích nghi chỉ trong vài phút có thể tạo tiền đề để phát triển các giống cây trồng cho năng suất ổn định hơn mà không cần thay đổi căn bản hệ gen, thay vào đó là khai thác có chủ đích các cơ chế điều hòa tự nhiên của cây.

Giáo sư Karl-Josef Dietz nhận định: “Phát hiện của chúng tôi lần đầu tiên chứng minh rằng lục lạp có thể tác động trực tiếp và cực kỳ nhanh đến quá trình tổng hợp protein trong tế bào chất. Điều này mở rộng một cách căn bản hiểu biết của chúng ta về cơ chế phản ứng của thực vật trước các điều kiện bất lợi. Đặc biệt, việc phát hiện các đoạn RNA ngắn phối hợp với những protein điều hòa chuyên biệt hoạt động như các công tắc phân tử đã mở ra triển vọng cụ thể cho việc chọn tạo các giống cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn. Đây là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa rất lớn trong bối cảnh biến đổi khí hậu”.

Phạm Thành Nhân theo Đại học Bielefeld.