Các vùng màu xanh lam trong cây này chứa protein CEPH, kích hoạt protein vận chuyển nitrat NRT2.1 để phản ứng với tình trạng thiếu nitơ. Nguồn: Yoshikatsu Matsubayashi.

Nitrat rất quan trọng cho sự phát triển của thực vật, vì vậy thực vật đã phát triển những  cơ chế phức tạp để đảm bảo hấp thu đủ nitrat từ môi trường. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Plants, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nagoya, Nhật Bản, đã xác định được một loại enzyme thực vật là chìa khóa để kích hoạt cơ chế hấp thu nitrat phản ứng với tình trạng đói nitơ. Phát hiện này giải thích cách thực vật đáp ứng nhu cầu của chúng trong môi trường đầy thách thức, mở ra cánh cửa để cải thiện sản xuất nông nghiệp trong môi trường như vậy.

Khi lượng nitrat dồi dào trong môi trường của thực vật, cây có thể đạt được mức hấp thu nitrat thích hợp bằng cách dựa vào cái mà các nhà sinh học thực vật gọi là "hệ thống vận chuyển có ái lực thấp". Nhưng khi nitrat trở nên khan hiếm trong môi trường của thực vật, nó có thể cần phải chuyển sang một cơ chế hấp thụ nitrat mạnh mẽ hơn được gọi là "hệ thống vận chuyển ái lực cao". Ở cây Arabidopsis, thường được dùng làm sinh vật mẫu cho nghiên cứu sinh học thực vật, protein NRT2.1 đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống vận chuyển có ái lực cao. Điều thú vị là khi cây Arabidopsis tổng hợp protein NRT2.1, ban đầu chúng tạo ra một loại protein không hoạt động, sau đó có thể được kích hoạt khi hệ thống vận chuyển có ái lực cao cần.

Quá trình tổng hợp một protein không hoạt động và có thể được kích hoạt sau này đã khiến tiến sỹ Yoshikatsu Matsubayashi của Đại học Nagoya tò mò, nhưng ông nhận thấy một logic nhất định trong quá trình chuẩn bị tổng hợp protein này, ông lưu ý: "Protein không thể được tổng hợp khi sự thiếu hụt nitơ xảy ra". Nói cách khác, thực vật cần tổng hợp các protein trong một hệ thống vận chuyển có ái lực cao trước khi sự thiếu hụt nitơ đòi hỏi phải sử dụng các protein đó, vì bản thân sự thiếu hụt nitơ sẽ gây khó khăn cho việc tổng hợp các protein. Để hiểu rõ hơn về hệ thống đáng chú ý này, tiến sỹ Matsubayashi và các đồng nghiệp của ông đã tiến hành thí nghiệm để xác định protein kích hoạt NRT2.1  phản ứng với tình trạng đói nitơ.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng một peptide được gọi là CEP được tìm thấy trong rễ cây đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các con đường sinh hóa phản ứng với tình trạng đói nitơ, vì vậy các nhà nghiên cứu đã tập trung điều tra vào CEP và con đường hạ nguồn CEPD của nó. Các thí nghiệm nhanh chóng thu hút sự chú ý của họ đến một loại protein có tên là At4g32950. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng protein này phản ứng với sự đói nitơ bằng cách kích hoạt protein NRT2.1. Nó đạt được sự hoạt hóa này bằng cách loại bỏ một nhóm photphat khỏi một vị trí cụ thể trên protein NRT2.1, vì vậy các nhà nghiên cứu quyết định đặt cho protein At4g32950 một cái tên mới: CEPD kích hoạt phosphatase, gọi tắt là "CEPH".

CEPH được tìm thấy chủ yếu trong các tế bào gần bề mặt của rễ cây Arabidopsis, đây là vị trí tối ưu nhằm kích hoạt một hệ thống phát triển để hấp thụ nitrat nhanh chóng từ môi trường. Đúng như dự đoán, việc sử dụng các phương pháp trong phòng thí nghiệm để bất hoạt gen mã hóa CEPH đã làm suy yếu khả năng sử dụng hệ thống vận chuyển ái lực cao của cây Arabidopsis để hấp thụ nitrat nhanh chóng và điều này có nghĩa là các cây bị bất hoạt có mức nitrat bên trong thấp hơn và phát triển chỉ ở kích thước nhỏ hơn.

Những kết quả này chỉ ra rằng CEPH đóng một vai trò quan trọng trong việc phản ứng với tình trạng đói nitơ thông qua việc kích hoạt protein NRT2.1 của nó. Tiến sỹ Matsubayashi nhìn thấy tiềm năng ứng dụng của CEPH như một công cụ kỹ thuật di truyền, ông lưu ý: "Hoạt động CEPH tăng cường nhân tạo có thể cho phép các nhà khoa học tạo ra cây trồng mà có thể phát triển được ngay cả trong đất có mức dinh dưỡng thấp". Những phát hiện như vậy có thể thay đổi cách đối phó với các vần đề nông nghiệp và an ninh lương thực.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org