Trong các tế bào của cây Arabidopsis, việc tiếp xúc với natri clorua (NaCl) gây ra sự chuyển vị (translocation) của kênh clorua được gắn với protein huỳnh quang màu xanh lá cây (GFP), GFP-AtCLCf, từ bộ máy Golgi (hình ảnh thẻ trên cùng, không xử lý muối) đến màng sinh chất (hình ảnh thẻ ở giữa, xử lý NaCl trong 6 giờ). AtCLCF hoạt động như một kênh dòng ion clorua (Cl‑) trên màng tế bào, làm tăng cường khả năng chịu mặn của cây trồng. Các hình ảnh thẻ cho thấy tế bào trần của cây Arabidopsis (tế bào không có thành tế bào). Hình ảnh thẻ dưới cùng giải thích những phát hiện tổng thể trong một bản tóm tắt trực quan. Nguồn: Nature Communications.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Singapore (NUS) đã phát hiện ra cơ chế thích ứng với muối ở cây trồng giúp loại bỏ clorua khỏi rễ và tăng cường khả năng chịu mặn. Công trình nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí Nature Communications.

Độ mặn của đất là một trong những yếu tố của môi trường gây căng thẳng có hại nhất và độ mặn tăng đặt ra thách thức ngày càng tăng đối với sản xuất nông nghiệp và ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất cây trồng trên toàn thế giới. Sự tích tụ quá nhiều muối hòa tan, đặc biệt là natri clorua, trong vùng rễ cản trở nghiêm trọng sự phát triển của cây trồng, làm giảm năng suất cây trồng. Mặc dù ion clorua (Cl^-) là chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng ở nồng độ thấp nhưng sự tích tụ quá mức của chúng sẽ gây ngộ độc cho tế bào cây trồng.

Cây trồng đã phát triển nhiều cách thức khác nhau để đối phó với những căng thẳng môi trường như vậy bằng cách sử dụng nhiều kênh và chất vận chuyển khác nhau để duy trì cân bằng ion (cân bằng nội môi ion) trong tế bào của chúng. Mặc dù người ta hiểu biết rõ hơn về cân bằng nội môi ion natri dưới áp lực của muối, nhưng việc loại bỏ các ion clorua vẫn chưa được hiểu rõ.

Để giải quyết vấn đề này, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Prakash Kumar từ Khoa Khoa học Sinh học, NUS dẫn đầu đã phát hiện ra một cơ chế mới giúp cây trồng thích ứng với ức chế muối liên quan đến sự chuyển vị do NaCl gây ra của một protein kênh clorua cụ thể là AtCLCf.

Công trình của họ tiết lộ rằng protein AtCLCf được tạo ra và lưu trữ trong hệ thống nội màng (bộ máy Golgi) trong điều kiện phát triển bình thường. Khi tế bào rễ được xử lý bằng muối, AtCLCf sẽ chuyển vị sang màng sinh chất plasma membrane (PM), nơi nó giúp loại bỏ các ion clorua dư thừa. Điều này thể hiện một cơ chế mới để tăng khả năng chịu mặn của cây trồng.

Nghiên cứu này là sự hợp tác của tiến sỹ Jiří Friml từ Viện Khoa học và Công nghệ, Áo và giáo sư Xu Jian từ Đại học Radboud, Hà Lan.

Nghiên cứu cũng xác định được yếu tố phiên mã AtWRKY9, yếu tố này trực tiếp điều chỉnh sự biểu hiện của gen AtCLCF khi cây bị muối ức chế.

NaCl làm cho protein AtCLCf di chuyển từ bên trong tế bào (bộ máy Golgi) đến bề mặt tế bào với sự trợ giúp của một protein khác gọi là AtRABA1b/BEX5. Nếu sự di chuyển này bị chặn bởi chất ức chế (brefeldin-A) hoặc bằng cách sửa đổi gen BEX5, nó sẽ dẫn đến cây trồng nhạy cảm với nồng độ muối cao.

Cây chuyển gen được thiết kế để tạo ra gen AtCLCf bổ sung cho thấy khả năng chịu mặn tăng lên ở cây Arabidopsis đột biến thiếu gen CLCf. Nói chung, những phát hiện này đã chứng minh rằng AtCLCF có liên quan đến việc loại bỏ các ion clorua dư thừa khỏi mô rễ để tăng khả năng chịu mặn của cây trồng.

Để hiểu chức năng của AtCLCf trong tế bào cây trồng, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một số kỹ thuật như đo huỳnh quang của liposome kết hợp với protein AtCLCf tái tổ hợp và thuốc nhuộm nhạy cảm với ion clorua, cũng như nghiên cứu điện sinh lý (kỹ thuật kẹp miếng vá). Các nghiên cứu này cho thấy AtCLCf hoạt động giống như một máy bơm hoán đổi ion clorua với ion hydro, giúp loại bỏ ion clorua dư thừa ra khỏi tế bào.

Giáo sư Kumar cho biết: “Điều này thể hiện một cơ chế chịu mặn thiết yếu và chưa được biết đến trước đây ở cây Arabidopsis. Kiến thức này có thể được sử dụng để cải thiện khả năng chịu mặn của cây trồng trong tương lai”.

Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org