Các nhà nghiên cứu đã khám phá ra cơ chế điều hòa protein DELLA trong thực vật.

Các nhà nghiên cứu từ Khoa Sinh hóa tại Viện Khoa học Ấn Độ (IISc) đã phát hiện ra một cơ chế được tìm kiếm từ lâu, được sử dụng bởi các loài thực vật trên cạn nguyên thủy như rêu (bao gồm rêu và rêu gan) để...điều chỉnh sự phát triển của cây trồng– một cơ chế cũng được bảo tồn ở các loài thực vật có hoa tiến hóa gần đây hơn.

Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Chemical Biology, tập trung vào cơ chế điều hòa phi cổ điển của protein DELLA, một chất điều hòa sinh trưởng chủ yếu có thể ức chế sự phân chia tế bào ở thực vật phôi (thực vật trên cạn).
“DELLA hoạt động như một vật cản tốc độ, nhưng nếu vật cản này liên tục xuất hiện, cây không thể phát triển,” Debabrata Laha, phó giáo sư hóa sinh và đồng tác giả của nghiên cứu giải thích. Do đó, sự phân hủy protein DELLA rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của cây. Ở thực vật có hoa, DELLA bị phân hủy khi hormone thực vật…gibberellin (GA)Protein này liên kết với thụ thể GID1, tạo thành phức hợp GA-GID1-DELLA. Sau đó, protein ức chế DELLA liên kết với chuỗi ubiquitin và bị phân giải bởi proteasome 26S.
Điều thú vị là, rêu là một trong những loài thực vật đầu tiên xâm chiếm đất liền, khoảng 500 triệu năm trước. Mặc dù chúng sản sinh ra hormone thực vật gibberellin (GA), nhưng chúng lại thiếu thụ thể GID1. Điều này đặt ra câu hỏi: sự sinh trưởng và phát triển của những loài thực vật trên cạn sơ khai này được điều chỉnh như thế nào?
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 để loại bỏ gen VIH tương ứng, từ đó xác nhận vai trò của VIH. Thực vật thiếu enzyme VIH chức năng biểu hiện các khuyết tật nghiêm trọng về sinh trưởng và phát triển cũng như các bất thường về hình thái, chẳng hạn như tản dày đặc, suy giảm tăng trưởng theo chiều ngang và thiếu đài hoa. Những khuyết tật này đã được khắc phục bằng cách sửa đổi bộ gen thực vật để chỉ tạo ra một đầu (đầu N) của enzyme VIH. Sử dụng các kỹ thuật sắc ký tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng đầu N chứa một miền kinase xúc tác quá trình sản xuất InsP₈.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng DELLA là một trong những mục tiêu tế bào của kinase VIH. Hơn nữa, họ quan sát thấy kiểu hình của cây thiếu MpVIH tương tự như kiểu hình của cây Miscanthus multiforme có biểu hiện DELLA tăng cao.
“Ở giai đoạn này, chúng tôi rất muốn xác định xem tính ổn định hay hoạt động của DELLA có được tăng cường ở những cây thiếu MpVIH hay không,” Priyanshi Rana, nghiên cứu sinh tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu của Lahey và là tác giả chính của bài báo, cho biết. Phù hợp với giả thuyết của họ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng việc ức chế DELLA đã phục hồi đáng kể các khiếm khuyết về tăng trưởng và phát triển ở cây đột biến MpVIH. Những phát hiện này cho thấy kinase VIH điều hòa DELLA một cách tiêu cực, từ đó thúc đẩy sự tăng trưởng và phát triển của cây.
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp các phương pháp di truyền, sinh hóa và sinh lý học để làm sáng tỏ cơ chế mà inositol pyrophosphate điều chỉnh sự biểu hiện protein DELLA trong loài rêu này. Cụ thể, InsP₈, được sản xuất bởi MpVIH, liên kết với protein MpDELLA, thúc đẩy quá trình polyubiquitination của nó, dẫn đến sự phân hủy protein ức chế này bởi proteasome.
Nghiên cứu về protein DELLA bắt nguồn từ cuộc Cách mạng Xanh, khi các nhà khoa học vô tình khai thác tiềm năng của nó để tạo ra các giống cây trồng bán lùn năng suất cao. Mặc dù cơ chế hoạt động của nó chưa được biết đến vào thời điểm đó, nhưng các công nghệ hiện đại đã cho phép các nhà khoa học sử dụng chỉnh sửa gen để điều chỉnh chức năng của protein này, từ đó tăng năng suất cây trồng một cách hiệu quả.
“Với sự gia tăng dân số và diện tích đất canh tác ngày càng thu hẹp, việc tăng năng suất cây trồng đã trở nên vô cùng quan trọng”, Raha cho biết. Vì quá trình phân hủy DELLA được điều hòa bởi InsP₈ có thể diễn ra rộng rãi trong cây non, phát hiện này có thể mở đường cho việc phát triển các giống cây trồng năng suất cao thế hệ mới.