Từ biển đến đất liền: Những thay đổi phân tử hé lộ quá trình tiến hóa của tảo thành thực vật.

Các loài tảo biển sơ khai đã thích nghi hệ thống thu nhận ánh sáng của chúng với ánh sáng xanh lam – lục có cường độ yếu, cho thấy quá trình quang hợp đã tiến hóa như thế nào.

Cấu trúc độc đáo của phức hợp quang hợp có tên Lhcp cho thấy hệ thống quang hợp đã thay đổi như thế nào khi các sinh vật quang hợp tiến hóa từ môi trường nước lên cạn.Nguồn: Đại học Metropolitan Osaka.

Trước khi thực vật tiến hóa, đời sống thực vật chủ yếu bao gồm các loài tảo lục nguyên thủy sinh sống trong đại dương. Tương tự như thực vật, các loài tảo này duy trì sự sống thông qua quá trình quang hợp, chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành năng lượng. Tuy nhiên, lượng ánh sáng xuyên xuống môi trường nước nơi tảo sinh sống thường rất hạn chế. Do đó, trong quá trình tiến hóa, chúng đã phát triển các cấu trúc thu nhận ánh sáng chuyên biệt nhằm để thu nhận lượng ánh sáng ít ỏi sẵn có.

Trong số các loài tảo biển nhỏ bé này có nhóm prasinophytes, được xem là một trong những dạng sống quang hợp xuất hiện sớm nhất trên Trái Đất. Tương tự các sinh vật quang hợp khác, chúng phụ thuộc vào một phức hợp sắc tố protein gọi là LHC để thu nhận năng lượng ánh sáng mặt trời. Hiệu quả quang hợp của LHC trong các điều kiện môi trường khác nhau phụ thuộc chủ yếu vào loại sắc tố được liên kết trong phức hợp này.

Nhóm nghiên cứu với sự tham gia của phó giáo sư Ritsuko Fujii, thuộc Trường Cao học Khoa học, Đại học Osaka Metropolitan, đã sử dụng kỹ thuật hiển vi điện tử lạnh để phân tích cấu trúc ba chiều và chức năng của Lhcp - một dạng phức hợp thu nhận ánh sáng (LHC) đặc trưng ở nhóm prasinophyte - được tách chiết từ loài tảo hiển vi Ostreococcus tauri. Nhóm nghiên cứu đã so sánh kết quả của họ với LHCII, một loại phức hợp thu nhận ánh sáng phổ biến ở thực vật trên cạn.

Họ phát hiện ra rằng thiết kế cơ bản của khung protein giữa hai hệ thống tương đối giống nhau. Tuy nhiên, tồn tại những khác biệt về cấu trúc tại các vị trí liên kết sắc tố và các vòng protein, từ đó ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng và truyền năng lượng của Lhcp. Không giống phức hợp thu nhận ánh sáng ở thực vật trên cạn, cấu trúc trimer của Lhcp được ổn định nhờ cả tương tác sắc tố - sắc tố và sắc tố - protein, đặc biệt liên quan đến một phân tử carotenoid đặc trưng được sắp xếp tại vùng tiếp giáp giữa các tiểu đơn vị.

Theo giáo sư Ritsuko Fujii: “Carotenoid giúp ổn định cấu trúc và nâng cao hiệu quả hấp thụ ánh sáng xanh lam – lục, loại ánh sáng phổ biến trong môi trường biển sâu”.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy Lhcp mang những đặc điểm cấu trúc đặc trưng của tảo, mặc dù vẫn chia sẻ một số đặc điểm cấu trúc và chức năng với LHCII. Những điểm tương đồng và khác biệt này có thể đại diện cho các biến đổi quan trọng, góp phần tạo điều kiện để thực vật rời khỏi môi trường đại dương và thích nghi với môi trường đất liền.

Giáo sư Fujii cho biết thêm: “Việc làm sáng tỏ cơ sở phân tử này có thể giúp giải thích vì sao, vào thời điểm nào và bằng cách nào thực vật trên cạn đã lựa chọn LHCII thay vì Lhcp trong quá trình tiến hóa. Đây có thể là chìa khóa để làm rõ một sự kiện tiến hóa quan trọng này”.

Cao Thị Hải Yến theo Đại học Osaka Metropolitan.