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
.png "Tuần tin khoa học 946 (16-22/06/2025)")
Cây bắp (Zea mays L.) bị ức chế tăng trưởng và năng suất bởi khô hạn xảy ra trên toàn thế giới. Cơ quan khí khổng có vai trò cực kỳ quan trọng trong bốc thoát hơn nước và trao đổi khí, cho nên, đây là tính trạng rất đáng quan tâm để cải tiến hiệu quả sử dụng nước (WUE) giúp cây bắp chống chịu khô hạn. Theo nghiên cứu này, người ta định tính được một đột biến gen dsd1 (decreased stomatal density 1) của cây bắp, cho thấy khiếm khuyết của khí khổng, đó là sự phân hóa tế bào mẹ có chức năng bảo vệ, sự hình thành tế bào phụ trợ và sự trưởng thành của tế bào bảo vệ. DSD1 mã hóa protein đóng vai trò TF có tên “basic helix-loop-helix transcription factor INDUCER OF CBF EXPRESSION b (ZmICEb)” và là một đồng dạng (homolog) của ICE1 trong cây Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). DSD1/ZmICEb biểu hiện trong tế bào tầng khí khổng thông qua phát triển khí khổng, đóng vai trò bảo thủ trong sự phát triển ấy trong cây bắp và cây Arabidopsis. Đột biến DSD1/ZmICEb cải tiến đáng kể tính chống chịu khô hạn và hiệu quả sử dụng nước WUE của cây bắp, giảm sự thất thoát năng suất hạt khi cây bị hạn. Do vậy, DSD1/ZmICEb đại diện cho một trong những gen ứng cử viên triển vọng phục vụ cải tiến di truyền tính trạng chống chịu khô hạn của cây bắp thông qua thao tác trên mật độ khí khổng.
.png "Tuần tin khoa học 957 (08-15/09/2025)")