Các nhà khoa học chứng minh cơ chế thực vật bật và tắt “công tắc ánh sáng”

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science, một nhóm nghiên cứu quốc tế dẫn dầu bởi các nhà khoa học tại Trung tâm RIKEN về khoa học bền vững, Nhật Bản; đại học Nông Lâm nghiệp Fujian, Trung Quốc; và đại học California, Los Angeles đã phát hiện ra các cơ chế mà qua đó cryptochrome 2 (một thụ quan ánh sáng giúp thực vực đáp ứng với ánh sáng xanh) được bật và tắt, cho phép thực vật duy trì trạng thái đáp ứng với ánh sáng.

Thực vật dựa vào ánh sáng để thực hiện quang hợp, qua đó chúng tạo ra năng lượng, nhưng sự đáp ứng với ánh sáng theo những cách khác nhau cũng rất quan trọng. Thực vật sinh trưởng trong đêm, qua việc sử dụng năng lượng đã tích trữ được trong ngày, và các cây ngày dài bắt đầu ra hoa khi ngày dài hơn và đêm ngắn lại. Mặc dù từ lâu người ta đã biết ánh sáng xanh giữ vai trò quan trọng trong việc hoạt hóa sự đáp ứng của thực vật trong môi trường ánh sáng tự nhiên, thông qua hoạt động của cryptochrome (bao gồm thụ quan ánh sáng xanh– và các thụ quan ánh sáng khác), nhưng cơ chế mà qua đó sự đáp ứng được bật và tắt vẫn chưa được hiểu rõ.

Các cryptochrome đáp ứng với ánh sáng xanh để điều hòa nhiều hoạt động như chống lại việc làm úa lá, tránh bóng, ra hoa và đóng mở khí khổng.
 

Trong vài năm gần đây, một bước tiến quan trọng đã được tạo ra trong việc tìm hiểu chức năng của cryptochrome. Ban đầu, một giả thuyết được đặt ra rằng các thụ quan được hoạt hóa và bất hoạt thông qua quá trình ‘quang khử-photoredution’ – một hệ thống được sử dụng trong quá trình quang hợp, nơi  các electron được truyền tải, vận chuyển năng lượng qua các phân tử.

Để xác định liệu đây có phải là cơ chế thật sự hay không, nhóm nghiên cứu đã bắt đầu sàng lọc các dòng Arabidopsis chuyển gen – một cây mô hình được dùng trong nghiên cứu di truyền thực vật – bằng cách sử dụng thư viện FOX, được phát triển bởi Takanari Ichikawa và Minami Matsui của Trung tâm Khoa học Cây trồng trước đây, để tìm ra các dòng biểu hiện kiểu hình tương tự với dòng đột biến không đáp ứng hiệu quả với ánh sáng xanh. Họ đã xác định được các dòng biểu hiện quá mức một protein, được đặt tên là BIC1, tương ứng với kiểu hình đột biến; và protein này được xác định có vai trò trong việc ngăn chặn hoạt động của thụ quan ánh sáng  cryptochrome 2.

Hơn nữa, thông qua một loạt thí nghiệm, họ có thể chỉ ra rằng đây không phải là một quá trình quang khử, và đã phát hiện chính xác cơ chế mà điều này đã diễn ra. Hóa ra là cryptochrome 2 đã trải qua một sự thay đổi hình dạng– chuyển thành dạng dimer – khi tiếp xúc với ánh sáng xanh, và dạng homodimer này là trạng thái hoạt động của crytochrome 2. Tuy nhiên, dạng dimer này biến mất khi có sự hiện diện của protein BIC1. Matsui, một trong số các trưởng nhóm phát biểu rằng: “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng có một cơ chế bất hoạt mà ở đó các thụ quan ánh sáng đã hoạt hóa được điều hòa bằng ánh sáng xanh để chống lại việc đáp ứng quá mức. Điều này rất quan trọng vì nó cho phép thực vật duy trì trạng thái nội cân bằng trong việc đáp ứng với ánh sáng xanh để thích ứng với sự thay đổi môi trường ánh sáng trong tự nhiên.”

Matsui nói tiếp, “Thông qua nghiên cứu này, chúng tôi hy vọng sẽ tìm ra cách mà chúng ta sử dụng hoạt động của BIC1 để giúp thực vật phát triển sinh khối tốt hơn. Nghiên cứu này cũng quan trọng vì cryptochrome động vật cũng hình thành dạng dimer, và điều này có thể giúp chúng ta có thêm manh mối về cách thức mà nhịp sinh học được duy trì ở động vật.”