Trong một khám phá quan trọng đối với nông nghiệp và an toàn thực phẩm, các nhà khoa học đã báo cáo quy chế di truyền phản ứng miễn dịch của cây trồng.
Các nhà nghiên cứu tại TUS đã phát hiện ra nhóm gen điều chỉnh phản ứng miễn dịch củaBrachypodium distachyon, loài cỏ hai lá mầm, đối với các mối đe dọa bên ngoài.
Nguồn: Trung tâm nghiên cứu Riken BioResource.
Cơ chế bảo vệ thực vật qua trung gian của gien không biểu hiện liên quan đến sự phát sinh bệnh (NPR) ở cây đơn tính (cây có một lá mầm) không được ghi chép đầy đủ. Giờ đây, các nhà khoa học từ Đại học Khoa học Tokyo đã phát hiện ra cách họ gien NPR điều chỉnh phản ứng miễn dịch trong cây một lá mầm Brachypodium distachyon, loài cây mô hình ôn đới đại diện cho các loài ngũ cốc và cỏ làm nhiên liệu sinh học. Những phát hiện này cung cấp một kế hoạch chi tiết cho các hệ thống phòng thủ của thực vật và có thể đóng góp vào nghiên cứu nhiều hơn về các loài cây trồng có khả năng chống chịu, thúc đẩy canh tác ngũ cốc không có thuốc trừ sâu.
Thực vật có thể được chia phần lớn thành cây hai lá mầm và cây một lá mầm. Những nhóm này, ngoài sự khác biệt về cấu trúc phôi thai của chúng, còn có nhiều yếu tố phân biệt khác. Đó là lý do tại sao rất có thể phản ứng miễn dịch của chúng đối với các mối đe dọa nhất định cũng sẽ khác nhau.
Thực vật, giống như con người, phản ứng với các mối đe dọa từ bên ngoài. Những phản ứng miễn dịch này đã được nghiên cứu rộng rãi trong các mô hình cây hai lá mầm, nhưng ít hơn ở mô hình cây một lá mầm.
Họ của gien không biểu hiện liên quan đến sự phát sinh bệnh (NPR) được biết là kiểm soát tín hiệu phòng thủ trong cuộc tấn công của mầm bệnh. Ở Arabidopsis thaliana, một cây hai lá mầm, NPR1 (AtNPR1) đóng vai trò như một vị trí liên kết với axit salicylic (SA) và tương tác với nhóm TGA của các yếu tố phiên mã (TFs) - nhóm này có trách nhiệm bật hoặc tắt các gien khi cần thiết. Điều này kích hoạt các gien bảo vệ, chẳng hạn như protein 1 liên quan đến sinh bệnh học (PR-1), cuối cùng kiểm soát phản ứng miễn dịch của thực vật. Điều này liệu cũng xảy ra trong cây một lá mầm? Một nhóm nghiên cứu, do Giáo sư Gen-ichiro Arimura từ Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản chủ trì, đã quyết định tìm hiểu.
Họ biết rằng một số loài đơn tính, như lúa gạo và lúa mì, hiển thị phản ứng miễn dịch qua trung gian NPR1 tương tự khi đối mặt với sự tấn công của mầm bệnh. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tin rằng các cây một lá mầm khác có thể phản ứng khác và cũng muốn nghiên cứu các NPR khác, chẳng hạn như AtNPR3 / AtNPR4, có thể có tác động ngược lại với NPR1. Do đó, Giáo sư Arimura và các đồng nghiệp của ông đã chọn nghiên cứu chức năng NPR và phản ứng miễn dịch trong mô hình cây một lá mầm Brachypodium distachyon.
Nghiên cứu được xuất bản trên Tạp chí Thực vật, giải thích cách các gien NPR trong B. distachyon điều chỉnh quá trình phiên mã được thúc đẩy TGA của các gien đáp ứng phòng vệ.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã xác định và nhân bản trình tự gien NPR của một lá mầm B. distachyon-BdNPR1, 2 và 3 - tương tự như trình tự NPR của các loài cây hai lá mầm khác, bao gồm cả Arabidopsis. Khi xử lý methyl salicylate, sự biểu hiện của BdNPR2 tăng lên đáng kể, nhưng không phải BdNPR1 / BdNPR3, cho thấy vai trò tích cực của nó trong phản ứng bảo vệ thực vật. Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận rằng một trong những BdNPRs (BdNPR2) đã kích hoạt BdTGA-1 ở B. distachyon (cũng giống như các loài thực vật khác), bằng cách quan sát biểu hiện gien và tương tác phân tử trong nguyên sinh vật B. distachyon. Các thí nghiệm này cho thấy BdTGA1 và BdNPR2 tương tác với nhau để điều chỉnh sự biểu hiện PR-1, do đó củng cố vai trò của NPR2 trong phản ứng miễn dịch của B. distachyon.
Phản hồi này có được axit salicylic (SA) làm trung gian không? Nhóm nghiên cứu đã trả lời bằng cách tạo ra một gien NPR2 đột biến. Giáo sư Arimura chỉ ra: “Một số dư lượng axit amin nhất định - đặc biệt là các axit amin arginine (Arg) - chịu trách nhiệm liên kết SA trong các NPR của Arabidopsis. Vì vậy, NPR2 đột biến của chúng tôi đã thiếu một dư lượng arginine cụ thể-Arg468. Đột biến này kém hiệu quả hơn NPR2 kiểu tự nhiên bình thường khi tăng biểu hiện PR-1, ngụ ý rằng Arg468 rất quan trọng đối với liên kết SA trên NPR2, do đó, PR-1 được điều chỉnh”. Thật thú vị, các thử nghiệm thử nghiệm của họ cũng phát hiện ra rằng BdNPR1 ngăn chặn sự điều hòa này, cho thấy vai trò của nó như một chất ức chế miễn dịch đối với B. distachyon.
Giáo sư Arimura cho biết: Khi cây ở trạng thái khỏe mạnh, BdNPR1 có thể ngăn BdNPR2 kích hoạt BdTGA1, giữ cho gien PR1 bị tắt. Nhưng khi cây bị mầm bệnh tấn công, nồng độ SA tăng lên và kích thích sự biểu hiện BdNRP2, sau đó sẽ giảm, và kích hoạt trên gien PR1. Ngạc nhiên bởi sự độc đáo về mặt chức năng của BdNRP2, Giáo sư Arimura giải thích rằng sự tương đồng về trình tự giữa NPR2 từ B. distachyon và các loài thực vật khác không ảnh hưởng đến chức năng của chúng, vốn khác biệt rõ ràng đối với mọi loài thực vật.
Nhưng làm thế nào để nghiên cứu di truyền này chuyển thành các ứng dụng thực tế? Nhiều loại cây trồng quan trọng, chẳng hạn như lúa mì và lúa gạo, là loại cây đơn tính. Những loại cây này vốn dễ bị nhiễm mầm bệnh vi sinh vật và sâu bệnh, nên được xử lý bằng thuốc trừ sâu để tránh bị hư hại. Thuốc trừ sâu sau đó gây suy thoái môi trường. Giáo sư Arimura cho biết: “Vòng luẩn quẩn này có thể bị phá vỡ bằng cách hiểu được các hệ thống phòng thủ của loài cây một lá mầm và giải quyết tính nhạy cảm của chúng theo cách bền vững hơn, với phương pháp canh tác không thuốc trừ sâu. Nó đưa chúng ta tiến gần hơn một bước tới việc giải quyết các vấn đề môi trường toàn cầu và an ninh lương thực, cho phép chúng ta hướng tới một xã hội bền vững hơn”.
Nguyễn Minh Thu - Mard, theo Sciencedaily.
