Tăng tốc qúa trình quang hợp ở cây ngô giúp tăng năng suất

 Tăng tốc qúa trình quang hợp ở cây ngô giúp tăng năng suất 

Các nhà khoa học vừa tăng cường một enzyme hấp thu carbon có tên RuBisCO để tăng tốc quá trình quang hợp ở cây bắp. Phát hiện hứa hẹn là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và năng suất nông nghiệp, theo một nghiên cứu mới

Các nhà khoa học từ Viện Boyce Thompson (BTI) và Đại học Cornell (Mỹ) vừa tăng cường một enzyme hấp thu carbon có tên RuBisCO để tăng tốc quá trình quang hợp ở cây bắp. Phát hiện hứa hẹn là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và năng suất nông nghiệp, theo một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature Plants.

Hàm lượng RuBisCO tăng hỗ trợ cỗ máy sinh học được sử dụng trong quá trình quang hợp của cây bắp để kết hợp carbon dioxide khí quyển vào carbohydrate.

“Mọi quá trình trao đổi chất chẳng hạn như quang hợp đều có sự tương đương với đèn hiệu giao thông hay gờ giảm tốc. RuBisCO thường là một yếu tố kìm hãm trong quá trình quang hợp. Mặc dù vậy, với RuBisCO tăng, gờ giảm tốc này được hạ xuống, dẫn tới hiệu suất quang hợp được cải thiện”, nhà sinh học thực vật David Stern cho biết.

RuBisCO thực tế có tên khoa học chính thức đó là Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase, một enzyme giúp chuyển đổi carbon dioxide thành đường. Người ta nhìn chung thừa nhận rằng nó là một enzyme phong phú nhất quả đất.

Nhưng đối với thế giới nông nghiệp thương mại và hệ thống quang hợp C4 (hợp chất 4 carbon) của cây bắp, RuBisCO hoạt động chậm chạp. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một cách để biểu hiện quá mức một enzyme hỗ trợ quan trọng có tên tên yếu tố lắp ráp 1 RuBisCO hay viết tắt là RAF1 để giúp sản xuất nhiều RuBisCO hơn.

Tác giả dẫn đầu nghiên cứu, nghiên cứu sinh tiến sĩ về lĩnh vực sinh học thực vật Coralie Salesse cho biết: “Nó cần sự trợ giúp từ các protein khác để tự lắp ráp”.

Với enzyme hỗ trợ này, các nhà khoa học thực tế đã hạ thấp một gờ giảm tốc khác – một thứ hạn chế tốc độ mà RuBisCO có thể đạt được kiến trúc sinh học phù hợp – dẫn tới cây trồng tích lũy chất này nhiều hơn.

Cơ chế chính xác về cách RuBisCO được lắp ráp vẫn còn là một bí ẩn trong nhiều năm cho đến khi protein RAF1 và RAF2 được phát hiện, Salesse cho biết. Salesse đã tiến hành một nghiên cứu trong phòng thí nghiệm ở Đại học quốc gia Úc và tại Đại học Illinois. Ông phát hiện ra rằng tăng RuBisCO khiến thực vật sinh trưởng nhờ khí nhà kính ra hoa sớm hơn, mọc cao hơn và cho nhiều sinh khối hơn.

“Bắp là một cây trồng quan trọng nhưng ngốn nhiều đất đai và năng lượng và giảm vết tích môi trường của nó là điều quan trọng. Chỉ chỉ riêng nước Mỹ, bắp được trồng trên khoảng 90 triệu mẫu và gần 15 tỉ giạ bắp đã được sản xuất trong những năm gần đây”, Stern cho biết. Ông giải thích rằng có nhiều phương pháp khác nhau để tăng sinh khối trên mỗi mẫu đất như tăng cường quang hợp vốn có thể tăng trọng lượng mỗi trái bắp và do đó làm tăng sản lượng trên mỗi mẫu.

Stern lưu ý rằng cùng phương pháp này có thể hứa hẹn cải thiện năng suất ở những cây trồng C4 khác như lúa miến và mía đường.

“Khi chuyển từ nhà kính và vào đồng ruộng, chúng tôi hy vọng rốt cuộc sẽ quan sát được sự sinh trưởng và năng suất cải thiện ở các giống cây sản xuất. Tăng tốc RuBisCO cung cấp nền tảng để có tác động sâu sắc đối với đối với khả năng trưởng thành và sản xuất sinh khối của cây bắp, đặc biệt khi kết hợp với các phương pháp khác”, ông cho biết thêm.

Dẫn theo https://dost-dongnai.gov.vn

Di truyền tính chịu khô hạn của bắp do gen ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37, giai đoạn cây non

 Di truyền tính chịu khô hạn của bắp do gen ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37, giai đoạn cây non

Nguồn: Dongling Zhang, Shixiang Ma, Zhixue Liu, Yuwei Yang, Wenjing Yang, Haixia Zeng, Huihui Su, Yang Yang, Wanjun Zhang, Jing Zhang, Lixia Ku, Zhenzhen Ren, Yanhui Chen. 2024. ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37 module enhances drought tolerance in maize seedlings. Plant Cell Environ.; 2024 Sep; 47(9):3605-3618. doi: 10.1111/pce.14954.

 

Khô hạn, một yếu tố ngoại cảnh chủ yếu, cho thấy những hạn chế đáng kể tiến trình phát triển và năng suất cây trồng. PHDs được xác định là gen đáp ứng với stress trong phần lớn các loài sinh học thuộc eukaryotes. Tuy nhiên, cơ chế điều tiết đối với các gen PHD trong điều kiện stress phi sinh học chưa được người ta biết nhiều, cần phải nghiên cứu sâu hơn. Ở đây, các tác giả tiến hành phân lập gen đột biến, zmvil2, một đột biến bằng hóa chất EMS với vị trí đột biến C thành T trong đoạn exon của gen đích Zm00001d053875 (VIN3-like protein 2, ZmVIL2), cho kết quả “chấm dứt sớm mã hóa protein coding”.

 

ZmVIL2 thuộc họ protein PHD. So với dòng nguyên thủy WT, đột biến zmvil2 biểu hiện mức nhạy cảm tăng đối với stress khô hạn. Đồng thời, sự biểu hiện mạnh mẽ của gen ZmVIL2 làm tăng tính chống chịu khô hạn của cây bắp. Các nghiệm thức Y2H, BiFC, và Co-IP cho thấy rằng ZmVIL2 tương tác trực tiếp với ZmFIP37 (tương tác protein FKBP12 của 37). Đột biến knockout zmfip37 cũng biểu hiện tính trạng chống chịu khô hạn giảm đi. Lý thú là, người ta cho thấy ZmABF4 gắn kết trực tiếp với promoter của ZmVIL2 để làm tăng cường hoạt động của nó trong xét nghiệm “yeast one hybrid” (Y1H), xét nghiệm EMSA (electrophoretic mobility shift assay)  và xét nghiệm “dual luciferase reporter assays”. Do vậy, người ta phát hiện ra một mô hình mới ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37 thúc đẩy khả năng chống chịu khô hạn của cây bắp. Tóm lại, phát hiện này làm giàu kiến thức nghiên cứu về chức năng của các gen PHD của hệ gen cây bắp và cung cấp nguồn vật liệu di truyền phục vụ cải tiến giống bắp cao sản chống chịu khô hạn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38747469/

Một liên kết protein bất ngờ trong quá trình sinh trưởng và phòng vệ của ngô có thể tăng khả năng thích ứng của cây trồng

 Một liên kết protein bất ngờ trong quá trình sinh trưởng và phòng vệ của ngô có thể tăng khả năng thích ứng của cây trồng

Ngô là một trong những cây lương thực quan trọng nhất trên thế giới và đã được nghiên cứu rộng rãi. Tuy nhiên, nhiều khía cạnh của cơ chế di truyền điều chỉnh sự sinh trưởng và phát triển của nó vẫn chưa được khám phá.

 

Nghiên cứu gần đây cho thấy một họ protein có tên là COI1, trước đây liên quan đến cơ chế phòng vệ ở các loài thực vật khác như cây Arabidopsis và lúa, chủ yếu điều chỉnh sự phát triển ở ngô. Phát hiện này có thể dẫn đến việc phát triển các giống ngô khỏe và năng suất hơn.

 

Ở thực vật, sinh trưởng và phòng vệ thường xung đột. Khi cây tập trung vào việc phòng vệ chống lại sâu bệnh, sinh trưởng thường chậm lại do sự tương tác đối lập giữa các protein ức chế gen phòng vệ, được gọi là JAZ (miền ZIM jasmonate) và các protein ức chế gen sinh trưởng (DELLA). Protein COI đóng vai trò then chốt trong việc cân bằng hai quá trình này bằng cách phân hủy JAZ.

 

Nghiên cứu tập trung vào sáu protein COI trong ngô, được chia thành hai nhóm: COI1 và COI2. Những cây đột biến được tạo ra thiếu một, hai hoặc cả bốn protein COI1. Tuy nhiên, không thể tạo ra các cây đột biến thiếu cả hai protein COI2 vì phấn hoa thiếu cả hai bị chết. Điều này chỉ ra rằng protein COI2 đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh thực của bộ phận đực và sự phát triển của phấn hoa ở ngô.

 

Điều ngạc nhiên thực sự đến từ những cây thiếu cả bốn protein COI1. “Những cây đột biến 'COI1-4x' này biểu hiện sự tăng trưởng chậm lại đáng kể so với cây ngô hoang dại”, Leila Feiz, tác giả đầu tiên và đồng tác giả liên hệ của nghiên cứu mới được công bố trên The Plant Cell, cho biết. “Điều này trái ngược với kỳ vọng của tôi vì các đột biến COI thường dẫn đến sự phát triển cao hơn ở các loài khác như cây Arabidopsis và lúa”.

 

Feiz giải thích thêm: “Ở các cây đột biến C3 COI, chẳng hạn như cây Arabidopsis, việc thiếu sự phân hủy JAZ bởi COI dẫn đến DELLA bị JAZ bẫy. Điều này tạo ra các gen tăng trưởng do axit gibberellic gây ra, thường bị DELLA ức chế khi không có axit gibberellic. Ngược lại, các cây hoang dại được xử lý liên tục bằng axit jasmonic sẽ phát triển thấp hơn các cây không được xử lý. Điều này là do COI nhận biết axit jasmonic và phân hủy JAZ.

 

“Sự phân hủy kích hoạt các gen phòng vệ và giải phóng DELLA khỏi sự bẫy JAZ, do đó ức chế sự tăng trưởng. Không giống như các đột biến COI của cây Arabidopsis và lúa, mà cho thấy biểu hiện kiểu hình cao hơn so với cây hoang dại của chúng, đột biến cả bốn protein COI1 của ngô biểu hiện sự phát triển thấp hơn so với các đột biến kép và các cây hoang dại của nó”.

 

Phân tích sâu hơn cho thấy rằng các protein COI1 của ngô có thể đã phát triển một chức năng mới: phân hủy các protein DELLA, ức chế sự tăng trưởng của cây. Feiz đề xuất phá vỡ các DELLA để ức chế sự tăng trưởng này, các protein COI1 cho phép ngô tiếp tục phát triển ngay cả khi tự vệ trong điều kiện có nồng độ axit jasmonic cao - có nhiều trong các loại cây được trồng ở vùng khí hậu nóng và khô cằn, nơi các loại cây C4, chẳng hạn như ngô và mía, đã tiến hóa.

 

Vai trò mới này của COI1 trong việc điều chỉnh nồng độ DELLA và sự tăng trưởng có thể là một sự thích nghi đã giúp ngô và có thể là các loại cây C4 khác phát triển mạnh trong những môi trường như vậy - một động lực thúc đẩy quá trình tiến hóa của C4. Bằng cách tách rời các phản ứng tăng trưởng và phòng vệ, ngô và các loại cây C4 khác như lúa miến có thể duy trì sự tăng trưởng mạnh mẽ ngay cả khi phải đối mặt với các căng thẳng về môi trường thường hạn chế sự tăng trưởng.

 

Dự án bắt đầu cách đây gần năm năm với một số ít cây đột biến đơn được cứu khỏi một dự án bị bỏ dở. Kevin Ahern, khi đó là quản lý thực địa và là nghiên cứu sinh tại phòng thí nghiệm của Georg Jander tại Viện Boyce Thompson, đã cứu chúng bằng cách thụ phấn và thu thập hạt giống của chúng.

 

Vài tháng sau, Feiz, một nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Jander, đã tiếp quản những hạt giống đột biến để tiếp tục dự án. Trong suốt quá trình nghiên cứu này, cô đã hợp tác với một số nhà khoa học khác, bao gồm Shan Wu, nhà nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm của Zhangjun Fei, người đã giúp phân tích một tập dữ liệu giải trình tự RNA lớn.

 

Nghiên cứu này mở ra những khả năng mới để tăng cường khả năng thích ứng và năng suất của cây trồng bằng cách tiết lộ cách protein COI tương tác với protein DELLA và các thành phần khác của con đường truyền tín hiệu của cây. Nghiên cứu này nêu bật cách nghiên cứu cơ bản về sinh học thực vật có thể khám phá ra những sự thích nghi tiến hóa hấp dẫn và dẫn đến những tiến bộ trong nông nghiệp thực tế.

 

Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org