Khám phá về tác nhân khiến thực vật “kết khối” tại vết thương

Cũng giống như quá trình đông máu ở người, khi bị cắt, thực vật kết khối (clot) tại vị trí vết thương. Cơ chế để chúng thực hiện điều đó cho đến nay vẫn là một bí ẩn. Tuy nhiên, mới đây, hai nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các enzyme tham gia phản ứng này.

Có rất nhiều các kênh (cầu sinh chất) trên lá của cây Arabidopsis – một thành viên của họ bắp cải. Ảnh huỳnh quang cho thấy những phần tích tụ callose gần các kênh này khi lá bị cắt.  (Chỉnh sửa ảnh: Đại học Delaware)

Các nhà khoa học tại đại học Delaware vừa khám phá ra hai phân tử mới đóng vai trò quan trọng trong quá trình điều hòa hoạt động của cầu sinh chất (plasmodesmata – các kênh truyền dẫn thông tin ở thực vật, kết nối các tế bào với nhau để phân bố, trao đổi dinh dưỡng, chất khoáng và các tín hiệu tế bào dưới các điều kiện stress sinh học và phi sinh học). Những yếu tố bất lợi từ môi trường như thương tích, nhiệt độ thấp, các trạng thái oxy hóa và sự nhiễm mầm bệnh sẽ ảnh hưởng đến quá trình trao đổi phân tử nội bào. Trong khi đó, quá trình này lại được xác định bởi tính thấm của cầu sinh chất. Tuy nhiên, những tín hiệu và cơ chế mà các yếu tố stress khác nhau trong môi trường tác động đến tính thấm vẫn chưa được hiểu rõ. Những kết quả của nghiên cứu mới này phần nào giải thích những vấn đề được coi là bí ẩn trong nghiên cứu sinh học thực vật.

"Các tế bào thực vật không có khả năng di chuyển tự do như tế bào người vì chúng có xu hướng gắn kết với nhau. Do đó, cần có một cách khác để chúng giao tiếp và đó chính là các kênh này," Weier Cui, nghiên cứu sau tiến sĩ tại khoa Khoa học đất và thực vật- trường Cao đẳng Nông nghiệp và Tài nguyên thiên nhiên (College of Agriculture and Natural Resources) cho biết.

Nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Nature Plants, được thực hiện bởi Cui và Jung-Young Lee, giáo sư khoa học đất - thực vật và khoa học sinh học. Tổ chức Khoa học Quốc gia (NSF) và Viện Y tế Quốc gia (NIH) là nhà tài trợ cho nghiên cứu.

Nghiên cứu tiền đề

Theo Lee, có rất ít thông tin về cầu sinh chất được khám phá do những thách thức kỹ thuật phát sinh trong nghiên cứu.

"Phòng thí nghiệm của chúng tôi tìm hiểu phương thức các tế bào thực vật điều khiển cầu sinh chất bằng cách hỗ trợ hoặc ức chế sự vận chuyển nội bào nhằm đáp ứng với những tác động bất lợi từ môi trường. Khám phá trước đó của chúng tôi lần đầu tiên phát hiện ra cầu sinh chất đóng lại khi cây bị tấn công bởi các mầm bệnh (ví dụ vi khuẩn). Hiện tượng này tương tự một phản ứng miễn dịch đáp ứng bẩm sinh." Lee nói. "Thực vật dường như đang tự bảo vệ các đường gian bào bằng cách  hạn chế nguồn cung cấp, phân phối dinh dưỡng; nhờ đó sẽ ngăn chặn các vi khuẩn gây bệnh sinh sôi."

Nghiên cứu đã cho thấy các con đường liên quan tới đáp ứng miễn dịch trong quá trình hàn gắn vết thương.

Callose

Thông qua việc sàng lọc các đột biến đích trong cây Arabidopsis, Cui đã xác định được hai gen mã hóa enzyme xúc tác quá trình sản xuất một loại polymer thành tế bào có tên “callose”. Callose không phải là phân tử cấu trúc của thành tế bào thực vật mà có chức năng như vật liệu trung gian hình thành tại các vị trí phân chia tế bào hoặc các vị trí bị thương.

"Công việc của chúng tôi là tìm các phân tử có thể giữ vai trò “canh cửa”, đóng/ mở các kênh. Callose là một trong những yếu tố quan trọng nhất của các cầu sinh chất", Cui phát biểu.

Lee cho biết callose đã được tìm thấy như là một loại nguyên tố cấu trúc gần cầu sinh chất và mức độ callose đôi khi tăng lên và đôi khi giảm xuống; “Dường như lượng ít callose tương quan với sự tăng của tính thấm cầu sinh chất. Mối tương quan này tương đối mạnh mẽ. "

Nói cách khác, khi tín hiệu hoặc chất dinh dưỡng cần được vận chuyển chuyển rộng rãi giữa các tế bào, mức callose hạ và cho phép các tế bào thực vật tăng cường trao đổi với nhau. Khi quá trình vận chuyển phân tử cần được ngăn chặn, mức callose sẽ tăng.

Lee giải thích thêm rằng vì callose là một polymer sinh học (polyme được sản xuất bởi một sinh vật sống) nên nó cần được tổng hợp bởi các enzyme. "Người ta đã biết callose có thể được tổng hợp từ các enzyme callose synthase, tuy nhiên, enzyme cụ thể trong họ gen này có vai trò chính trong mã hóa callose tại cầu sinh chất vẫn chưa được xác định."

Nghiên cứu này cho thấy rằng hai enzyme liên quan tới sự thay đổi mức callose tại cầu sinh chất bao gồm CalS1 và CalS8, một trong số enzyme đó hoạt động khi cây bị nhiễm bởi tác nhân gây bệnh và enzyme còn lại hoạt động trong tình trạng cây gặp stress do một cơ chế phi sinh học.

 "Nếu bạn gây ra một vết thương trên lá cây, chúng sẽ tạo ra một lượng lớn callose tại chỗ bị thương và hình thành các khối kết lại. Đồng thời, cây cũng tạo ra một lượng hữu hạn callose ở xung quanh các kênh giữa các tế bào nguyên vẹn lân cận các tế bào bị hư hỏng. Tại đây, các thành viên khác nhau của họ enzyme này dường như sẽ đóng kênh lại để bảo vệ các tế bào khỏe mạnh", Cui nói.

Hiện tại, các phân tử thiết yếu cho việc thay đổi tính thấm của cầu sinh chất đã được xác định, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng những thông tin phân tử và di truyền này để tìm hiểu các thành phần khác liên quan tới con đường, cơ chế điều khiển cầu sinh chất và mối liên kết, tầm quan trọng chức năng của cầu sinh chất trong quá trình phát triển, sinh lý và tương tác với môi trường của thực vật.

"Phát hiện của chúng tôi thực sự mở ra nhiều con đường trong toàn bộ lĩnh vực này," Lee nói. "Lý do mà cầu sinh chất vẫn là một bí ẩn sinh học thực vật là vì chúng ta chưa biết nhiều về cách thức chúng hình thành hoặc các phân tử hay các gen có liên quan đến sự hình thành và điều hòa. Hai gen mà chúng tôi xác định cho phép chúng ta sử dụng chúng như các công cụ phân tử hỗ trợ trong các nghiên cứu tiếp theo. "

Nguồn tham khảo:

1.https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160411124730.htm?utm_source=dlvr.it&utm_medium=facebook

2. Weier Cui, Jung-Youn Lee. Arabidopsis callose synthases CalS1/8 regulate plasmodesmal permeability during stress. Nature Plants, 2016; 16034 DOI: 10.1038/nplants.2016.34

Dịch giả: Nguyễn Ngọc Nam