Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Trước tình hình biến đổi khí hậu và hiện tượng nóng lên toàn cầu ngày càng gia tăng, hạn hán đã trở thành mối đe dọa nghiêm trọng đối với nông nghiệp toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng và an ninh lương thực. Để thích nghi với điều kiện bất lợi này, thực vật đã tiến hóa nhiều cơ chế sinh lý. Một trong những cơ chế chủ yếu nhằm đối phó với tình trạng thiếu nước là “đóng khí khổng” nhằm hạn chế mất nước do thoát hơi. Quá trình này được điều hòa bởi axit abscisic (ABA), một hormone thực vật giữ vai trò then chốt trong cơ chế phản ứng với stress ở thực vật.

Mặc dù vai trò của ABA trong cơ chế chịu hạn đã được xác định rõ ràng, nhưng các nhà nghiên cứu hiện đã phát hiện thêm một yếu tố có liên quan đến quá trình này đó là myosin XI, một loại protein vận động trước đây được biết đến chủ yếu với chức năng vận chuyển các thành phần nội bào. Để làm sáng tỏ vai trò tiềm năng này, nhóm nghiên cứu do Giáo sư Motoki Tominaga (Đại học Waseda, Nhật Bản) dẫn đầu đã tiến hành kiểm tra xem liệu myosin XI có tham gia tích cực vào sự đáp ứng với hạn ở thực vật hay không, cũng như làm rõ các cơ chế liên quan. “Mặc dù một số nghiên cứu trước đã gợi ý về sự liên quan của myosin XI trong phản ứng với stress do hạn hán gây ra, nhưng nền tảng của cơ chế vẫn chưa được làm rõ”, Giáo sư Tominaga cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng Arabidopsis thaliana làm cây mô hình cho khảo sát vai trò của myosin XI trong đáp ứng với hạn. Các dòng cây biến đổi gen bị loại bỏ một, hai (2ko) hoặc cả ba (3ko) gen chính mã hóa myosin XI và so sánh chúng với cây hoang dại qua nhiều phép thử, bao gồm đánh giá khả năng sống sót sau hạn, đo tốc độ mất nước, phân tích độ mở khí khổng và độ nhạy với ABA. Ngoài ra, nhóm cũng đo mức sản sinh các loại oxy phản ứng (ROS), quan sát sự tái cấu trúc vi ống bằng chỉ thị huỳnh quang và định lượng sự biểu hiện của các gen đáp ứng ABA thông qua qRT-PCR. Phương pháp tiếp cận toàn diện này giúp làm rõ vai trò chức năng của myosin XI trong khả năng chống chịu hạn và truyền tín hiệu ABA ở thực vật.

Kết quả thu được cho thấy những cây thiếu myosin XI, đặc biệt là đột biến 2ko và 3ko, có tốc độ mất nước cao hơn, khả năng đóng khí khổng bị suy giảm và tỷ lệ sống sót dưới điều kiện hạn hán thấp hơn. Các cây này cũng kém nhạy với ABA, thể hiện qua tỷ lệ nảy mầm cao hơn và sự ức chế tăng trưởng rễ giảm đi dưới xử lý hormone. Ở cấp độ tế bào, các dòng đột biến này có mức ROS giảm đáng kể và sự rối loạn tái cấu trúc vi ống, đây là hai yếu tố cần thiết cho việc đóng khí khổng do ABA điều khiển. Các gen liên quan đến đáp ứng với stress cũng giảm biểu hiện, cho thấy myosin XI có vai trò điều hòa trong mạng lưới truyền tín hiệu của ABA.

Những phát hiện này chỉ ra rằng myosin XI không chỉ là một protein vận chuyển, mà còn tham gia tích cực vào cơ chế bảo vệ thực vật trước hạn hán thông qua việc phối hợp tín hiệu ROS, tái cấu trúc vi ống và hoạt hóa gen trong tế bào khí khổng. Điều này giúp cây đóng khí khổng hiệu quả hơn, từ đó hạn chế thoát hơi nước. “Chúng tôi phát hiện ra rằng ở các dòng đột biến thiếu nhiều gen myosin XI, tốc độ mất nước trong điều kiện hạn cao gấp bốn lần so với cây hoang dại”, Giáo sư Tominaga cho biết. “Kết quả này mang lại một góc nhìn hoàn toàn mới về cách thực vật thích ứng với thay đổi môi trường.”

Nghiên cứu này đánh dấu một bước tiến đột phá, mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Nó làm sáng tỏ vai trò chưa từng được công nhận trước đây của myosin XI trong phản ứng với stress ở thực vật, đồng thời cung cấp kiến thức sâu hơn về cách hệ thống vận chuyển nội bào hỗ trợ sự thích nghi với môi trường. Ngoài ra, nghiên cứu còn xác định myosin XI là một mục tiêu phân tử đầy tiềm năng để cải thiện khả năng chịu hạn ở cây trồng.

“Phát hiện này được kỳ vọng sẽ thúc đẩy nghiên cứu cơ bản về cơ chế đáp ứng với stress ở thực vật và hỗ trợ phát triển các công nghệ nâng cao hiệu quả sử dụng nước cho cây trồng tại những khu vực khô hạn”, Tominaga chia sẻ. “Chúng tôi mong muốn tiếp tục đẩy mạnh nghiên cứu để có thể ứng dụng các kiến thức này vào công nghệ nông nghiệp nhằm hỗ trợ sản xuất trong bối cảnh biến đổi khí hậu”, ông nói thêm.

Tóm lại, nghiên cứu này đã làm sáng tỏ vai trò thiết yếu của myosin XI trong phản ứng với hạn ở thực vật, kết nối giữa bộ máy vận chuyển nội bào và truyền tín hiệu hormone. Trước áp lực khí hậu ngày càng gia tăng, những hiểu biết sâu sắc như thế này mở ra triển vọng phát triển các giống cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn và tiết kiệm nước, phù hợp với một thế giới đang thay đổi.
 
Nguồn: Sciencedaily.com