Thực vật sử dụng rễ của chúng để đo nồng độ mangan có sẵn trong đất

Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng một nhóm tế bào chưa được phát hiện cho đến nay trong rễ cây đóng vai trò quyết định. Các nhà nghiên cứu hy vọng rằng kết quả nghiên cứu của họ trong tương lai sẽ dẫn đến các phương pháp làm cho cây trồng chống lại sự thiếu hụt mangan - một tình trạng thường xảy ra ở đất kiềm và đất vôi.

Giáo sư Jörg Kudla từ Viện Sinh học Thực vật và Công nghệ Sinh học tại Đại học Münster (Đức) là một trong những tác giả hàng đầu của nghiên cứu. Ông nói, “Đã có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc protein nào có liên quan đến sự hấp thu và vận chuyển mangan trong tế bào. Nhưng cân bằng mangan được điều chỉnh như thế nào ở cấp độ của sinh vật thì hoàn toàn chưa được biết”.  

Bởi vì canxi tham gia như một chất truyền tin trong nhiều quá trình điều hòa khác trong thực vật, các nhà nghiên cứu đã tự hỏi liệu nó có đóng một vai trò nào đó trong việc điều chỉnh sự cân bằng mangan hay không.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được một nhóm tế bào đặc biệt trong rễ cây và đặt cho nó cái tên “bộ phận nhạy cảm với mangan”. Không giống như tất cả các tế bào rễ khác, những tế bào này thể hiện một phản ứng đặc biệt để phản ứng với sự thiếu hụt mangan: nồng độ canxi trong tế bào tăng lên và giảm xuống nhiều lần liên tiếp trong bối cảnh thiếu hụt kéo dài. Mỗi dao động kéo dài khoảng 30 phút. Kudla cho biết: “Trước đây chưa ai quan sát thấy sự dao động đa tế bào như vậy về nồng độ canxi được hình thành thông qua sự xuất hiện phối hợp của các tín hiệu canxi trong các tế bào riêng lẻ ở thực vật”. Chỉ có vài trăm tế bào cùng xây dựng tín hiệu. Các tế bào biểu bì - các tế bào ở lớp rễ ngoài cùng - là những tế bào đầu tiên bắt đầu tăng nồng độ canxi. Sau đó, các tế bào nằm xa hơn bên trong dần dần tuân theo - trước khi toàn bộ quá trình được đảo ngược.

Trong nghiên cứu trước đó, các nhà nghiên cứu do Jörg Kudla đứng đầu đã phát hiện ra thêm hai “hốc nhạy cảm” ở các khu vực khác trong rễ - một ngách nhạy cảm với kali và một ngách nhạy cảm với natri. Ở đây, rễ cây cũng phản ứng bằng cách tạo ra tín hiệu canxi đa bào trong các nhóm tế bào cụ thể để phản ứng với sự thay đổi nồng độ ion trong môi trường. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã không quan sát thấy bất kỳ dao động nào - không giống như trong ngách nhạy cảm với mangan.

Trong nghiên cứu hiện tại của họ, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dao động canxi do thiếu mangan kích hoạt kích hoạt hai enzim đặc biệt - cái gọi là Kinase Protein phụ thuộc Canxi (CPK21 và CPK23) - và hai enzim này, về phần chúng, kích thích sự hấp thu của mangan. Kudla cho biết: “Khi kinase tự giải phóng khỏi canxi và chúng không hoạt động. Giả thuyết của chúng tôi là mọi dao động sẽ bắt đầu quá trình này một lần nữa - cho đến khi cây trồng đạt được mức hấp thụ đủ mangan”. Chất vận chuyển mangan NRAMP1, chịu trách nhiệm vận chuyển mangan vào các tế bào của rễ, là một phần của quá trình này. Protein kinase CPK21 và CPK23 tương tác với chất vận chuyển này và điều chỉnh sự hấp thu mangan bằng cách phosphoryl hóa một axit amin cụ thể.

Để chứng minh sự xuất hiện của tín hiệu canxi, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi có độ phân giải cao và lần đầu tiên, cảm biến sinh học canxi phân tử siêu nhạy. Cảm biến sinh học thường hình dung sự thay đổi nồng độ của các chất hoạt tính sinh học như canxi trong tế bào và mô. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp các nghiên cứu này, liên quan đến công nghệ cảm biến sinh học in vivo, với các phương pháp di truyền, sinh học tế bào và sinh hóa để làm rõ các cơ chế phân tử cơ bản.