Các nhà khoa học từ Nhật Bản, Châu Âu và Hoa Kỳ đã mô tả một con đường dẫn đến sự ra hoa nhanh chóng của thực vật trong đất có hàm lượng nitơ thấp. Những phát hiện này thật sự có thể dẫn đến gia tăng sản lượng nông nghiệp.

Cây Arabidopsis là một trong những cây trồng được sử dụng trong các nghiên cứu. Ảnh: Takeo Sato.

Nitơ là một trong ba chất dinh dưỡng đa lượng, cùng với phốt pho và kali, cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Tình trạng giàu nitơ kích thích sự phát triển của thực vật, đặc biệt là sự phát triển của thân và lá, đồng thời làm chậm quá trình ra hoa. Mặt khác, ở một số cây trồng, điều kiện thiếu nitơ dẫn đến sự chuyển đổi quá trình sinh trưởng sang quá trình sinh sản, vì thế thúc đẩy sự ra hoa. Tuy nhiên, các cơ chế phân tử điều chỉnh sự ra hoa trong những điều kiện này vẫn chưa được biết đến.

Một nhóm các nhà khoa học do phó giáo sư Takeo Sato thuộc Trường Đại học Khoa học Đời sống, Đại học Hokkaido dẫn đầu, đã tiết lộ cơ chế phân tử thúc đẩy ra việc hoa ở cây Arabidopsis trong điều kiện nitơ thấp. Phát hiện của họ đã được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS).

Arabidopsis, một loài thực vật thuộc họ cải, được biết đến như một loài thực vật sinh học và có một cơ sở dữ liệu phong phú về sự biểu hiện protein của nó. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên xác định một tập hợp các protein liên quan đến việc kích hoạt quá trình ra hoa do sự thay đổi hàm lượng nitơ. Một trong số đó là yếu tố điều hòa gen FLOWERING BHLH 4 (FBH4). Thông qua các thí nghiệm sử dụng cây trồng thiếu FBH4, loại protein này được phát hiện là nguyên nhân thúc đẩy quá trình ra hoa trong điều kiện thiếu nitơ.

FBH4 cần thiết cho việc thúc đẩy sự ra hoa đối với cây Arabidopsis. Sự thúc đẩy ra hoa chỉ xuất hiện đối với cây hoang dã (cây bên trái), không xuất hiện trên cây thiếu FBH4 (cây bên phải) trong điều kiện thiếu nitơ Nguồn: Miho Sanagi và cộng sự.

Điều tra sâu hơn cho thấy FBH4 được phosphoryl hóa rộng rãi bởi một protein khác có tên là SnRK1. Điều kiện nitơ thấp ngăn chặn hoạt động của SnRK1, do đó dẫn đến sự khử phosphoryl của FBH4. FBH4 đã được dephosphoryl hóa di chuyển đến nhân để kích hoạt các gen chịu trách nhiệm cho sự ra hoa. FBH4 đã được khử phosphoryl cũng chịu trách nhiệm kiểm soát sự biểu hiện của các gen khác quan trọng đối với sự tồn tại của thực vật trong điều kiện nitơ thấp, đặc biệt là những gen liên quan đến tái sử dụng và loại bỏ nitơ.

Các nhà khoa học kết luận rằng, để đáp ứng với lượng nitơ không đầy đủ, cây Arabidopsis dường như kiểm soát chính xác sự biểu hiện gen liên quan đến các quá trình phát triển và trao đổi chất cần thiết để ra hoa thông qua FBH4. Takeo Sato cho biết: “Họ FBH của các gen có trong các cây trồng chính. Cây trồng có biểu hiện ra hoa sớm trong điều kiện thiếu nitơ; nếu chúng ta có thể kiểm soát các hoạt động FBH trong các loại cây trồng này, đó có thể là một cách hiệu quả để tăng sản lượng nông nghiệp một cách bền vững”.

Takeo Sato với những cây Arabidopsis trong điều kiện nuôi cấy trong phòng. Nguồn: Takeo Sato.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Hokkaido.