Sử dụng mô hình thực vật ký sinh họ Orobanchaceae Phtheirospermum japonicum, các nhà khoa học ở trường Đại học Nagoya và các viện nghiên cứu khác của Nhật Bản đã khám phá ra các cơ chế phân tử đằng sau việc ghép khác loài và ký sinh thực vật. Việc xác định chính xác enzyme β-1,4-glucanase (GH9B3) là một đóng góp quan trọng cho cả hai hiện tượng nêu trên. Nhắm mục tiêu vào enzym này có thể giúp kiểm soát sự ký sinh thực vật trên cây trồng. Ngoài ra, cơ chế này có thể được khai thác cho các kỹ thuật ghép chéo loài mới nhằm thực hiện mục tiêu công nghệ nông nghiệp bền vững.

Ký sinh thực vật là hiện tượng thực vật ký sinh bám vào, hút nước và chất dinh dưỡng từ cây chủ thứ hai, với sự trợ giúp của một cơ quan chuyên biệt được gọi là "giác mút". Một khi giác mút hình thành thì các enzym cụ thể sẽ giúp hình thành kết nối giữa các mô của cây ký sinh và cây ký chủ, được gọi là "cầu xylem", tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển nước và chất dinh dưỡng từ cây ký chủ sang cây ký sinh.

Một cơ chế tương tự cũng liên quan đến quá trình ghép thân nhân tạo, trong đó, thành tế bào của hai mô thực vật khác nhau tại điểm nối ghép trở nên mỏng hơn và bị nén lại, một hiện tượng được thực hiện nhờ các enzym biến đổi thành tế bào cụ thể. Sự biến đổi thành tế bào cũng được cho là có vai trò trong quá trình ký sinh ở các dòng thực vật ký sinh khác nhau.

Do đó, nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Ken-ichi Kurotani từ Đại học Nagoya dẫn dắt đã đưa ra giả thuyết rằng các gen và enzym tương tự nên được tham gia vào quá trình ký sinh và quá trình ghép giữa các loài. Tiến sĩ Kurotani báo cáo: “Để điều tra các sự kiện phân tử liên quan đến sự kết dính tế bào giữa P. japonicum và cây ký chủ, chúng tôi đã phân tích hệ phiên mã của hiện tượng ký sinh P. japonicum-Arabidopsis và hiện tượng ghép P. japonicum-Arabidopsis. Khi một gen trong tế bào được kích hoạt, nó tạo ra một "bản sao" RNA sau đó được dịch mã thành một protein hoạt động, sau đó tế bào sử dụng protein này để thực hiện các hoạt động khác nhau. "Bộ phiên mã" là tập hợp đầy đủ các bản phiên mã RNA mà bộ gen của một sinh vật tạo ra trong các điều kiện đa dạng khác nhau. Kết quả thí nghiệm của họ được công bố trên tạp chí Springer Nature's Communications Biology.

So sánh giữa phiên mã ký sinh và phiên mã ghép cho thấy các gen liên quan đến việc chữa lành vết thương, phân chia tế bào, sao chép DNA và tổng hợp RNA được điều chỉnh cao trong cả hai hiện tượng, điều này cho thấy sự tăng sinh tế bào tích cực ở cả giác mút và giao diện mô ghép.

Tiến sĩ Michitaka Notaguchi, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Hơn nữa, chúng tôi đã tìm thấy sự trùng lặp giữa dữ liệu phiên mã từ nghiên cứu này và dữ liệu bản sao từ việc ghép cây Nicotiana với cây Arabidopsis, một thực vật hạt kín khác”. Glycosyl hydrolase là các enzym đặc biệt phân hủy cellulose, thành phần chính của thành tế bào thực vật. Nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Notaguchi đã xác định được một enzyme β-1,4-glucanase ở cây P. japonicum thuộc họ glycosyl hydrolase 9B3 (GH9B3); một enzyme cùng họ được công nhận là có tính quyết định đối với sự kết dính tế bào ở Nicotiana.

Các thí nghiệm tiếp theo cho thấy cây P. japonicum không có GH9B3 có thể hình thành giác mút với cây Arabidopsis nhưng không thể hình thành cầu xylem chức năng, nghĩa là emzyme β-1,4-glucanase là nhân tố không thể thiếu cho hoạt động ký sinh thực vật của cây P. japonicum. Hơn nữa, trong các thí nghiệm ghép nhân tạo mức phiên mã GH9B3 RNA cao đã được quan sát thấy, điều đó chứng tỏ rằng enzyme đóng một vai trò không thể thiếu trong cả cơ chế ký sinh và ghép.

Dữ liệu phiên mã được tạo ra trong nghiên cứu này có thể được sử dụng để khám phá thêm các gen và các enzym liên quan đến quá trình ký sinh thực vật. Ngoài ra, các nghiên cứu sâu hơn theo các hướng này sẽ giúp các nhà khoa học phát triển các phương pháp tiếp cận phân tử cụ thể để đưa ra các giải pháp thay thế ghép giữa các loài bền vững.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo Phys.org