Các nhà khoa học tại Đại học Nagoya ở Nhật Bản đã phát hiện ra một cơ chế độc đáo điều chỉnh việc mở khí khổng ở thực vật. Quá trình phosphoryl hóa axit amin Thr881 trên quá trình bơm proton màng plasma đóng vai trò chính trong tiến trình này. Nghiên cứu mở đường cho việc điều chỉnh mục tiêu sinh lý thực vật với các ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp và bền vững môi trường.

Các nhà khoa học từ Đại học Nagoya đã phát hiện ra một cơ chế điều tiết mới kiểm soát việc mở khí khổng ở thực vật, cơ chế này rất quan trọng để khai thác năng lượng mặt trời thông qua quá trình quang hợp. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra vai trò của quá trình phosphoryl hóa ở dư lượng threonine thứ 881 (Thr881) của bơm proton màng plasma để phản ứng với ánh sáng đỏ và xanh trong quá trình này. Nghiên cứu này mở ra khả năng điều khiển sinh lý thực vật theo những cách cụ thể, mang lại lợi ích cho nông nghiệp và môi trường. Các nhà nghiên cứu đã báo cáo phát hiện của họ trên tạp chí Nature Communications.

Trưởng nhóm nghiên cứu Toshinori Kinoshita cho biết: “Sự kiện phosphoryl hóa này, trước đây chưa được biết đến, sẽ kích hoạt bơm proton, tạo điều kiện cho việc mở khí khổng và tăng cường hoạt động quang hợp. Những phát hiện này đã làm sáng tỏ những con đường truyền tín hiệu phức tạp làm cơ sở cho phản ứng của thực vật với ánh sáng và hứa hẹn sẽ có những ứng dụng trong tương lai”. 

Khí khổng là những lỗ chân lông cực nhỏ trên bề mặt lá cây. Chúng đóng một vai trò quan trọng trong việc trao đổi khí bằng cách điều chỉnh sự hấp thu carbon dioxide cần thiết cho quá trình quang hợp. Hiểu biết về cơ chế phân tử chi phối việc mở khí khổng để phản ứng với các tín hiệu môi trường, chẳng hạn như ánh sáng, là nền tảng cho sinh lý học thực vật và canh tác cây trồng. Những tiến bộ gần đây trong việc tìm hiểu sự mở khí khổng đã làm tăng sự tăng trưởng và năng suất của các cây trồng quan trọng.

Một phần quan trọng của quá trình này là quá trình phosphoryl hóa các axit amin, đặc biệt là Thr. Phosphoryl hóa là thêm hoặc loại bỏ một nhóm photphat khỏi axit amin bằng cách sử dụng enzyme. Nó hoạt động giống như một công tắc bật/tắt, làm thay đổi cấu trúc và chức năng của protein tùy thuộc vào việc hiện diện photphat hay không.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Phân tử sinh học biến đổi (ITbM) và Trường Khoa học sau đại học tại Đại học Nagoya đã hợp tác để nghiên cứu vai trò của axit amin Thr881. Họ đã sử dụng phân tích rộng rãi về phosphoproteomic trên các tế bào trần có nguồn gốc từ các tế bào của cây cải xoong (Arabidopsis thaliana).

Quá trình phosphoryl hóa Thr881 được quan sát thấy phản ứng với cả điều kiện ánh sáng đỏ và xanh. Cơ chế kích hoạt kép, dựa trên cả quá trình quang hợp và phototropin thụ thể ánh sáng xanh, nhấn mạnh sự tương tác phức tạp giữa tín hiệu ánh sáng và phản ứng sinh lý ở thực vật.

Các nghiên cứu sâu hơn sử dụng các đột biến Arabidopsis thaliana đã xác nhận vai trò thiết yếu của quá trình phosphoryl hóa Thr881 trong việc mở khí khổng. Khi họ tạo ra những cây biểu hiện bơm proton đột biến thiếu sự phosphoryl hóa Thr881, họ nhận thấy khẩu độ mở khí khổng và tốc độ thoát hơi nước giảm, nhấn mạnh tầm quan trọng của cơ chế điều hòa này. 

Họ kết luận rằng Thr-881 của protein màng AHA1, cùng với Thr-948, bị phosphoryl hóa để phản ứng với ánh sáng xanh. Quá trình phosphoryl hóa cả Thr-881 và Thr-948 đều rất quan trọng để kích hoạt enzyme H+ -ATPase, cho phép mở khí khổng.

 Kinoshita cho biết: “Qua nghiên cứu này, chúng tôi có thể xác định được một loại axit amin quan trọng chịu trách nhiệm kích hoạt bơm proton màng plasma. Bằng cách thay đổi axit amin, chúng tôi có thể kiểm soát được việc mở khí khổng”.

Các nhà nghiên cứu cũng quan sát thấy quá trình phosphoryl hóa Thr881 trong lá và thân, cho thấy rằng nó đóng vai trò rộng hơn trong sinh lý thực vật ngoài việc điều chỉnh khí khổng.

Kinoshita cho biết: “Bơm proton màng plasma có chức năng trong tất cả các tế bào thực vật, đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc mở tuyến khí khổng mà còn trong việc hấp thu chất dinh dưỡng ở rễ, vận chuyển các sản phẩm quang hợp và kéo dài ống phấn. Điều này cho thấy rằng việc điều khiển Thr881 có thể góp phần thúc đẩy tăng trưởng thực vật, tăng khả năng hấp thụ carbon dioxide và giảm việc sử dụng phân bón như nitơ và phốt pho”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Nagoya.