Từ lâu, các nhà khoa học và người làm vườn đã biết rằng cây cối mọc cao hơn và ra hoa sớm hơn khi chúng được che bóng râm bởi những hàng xóm trồng gần nhau. Giờ đây, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu tại Viện Salk đã chỉ ra hoạt động chi tiết bên trong của quá trình này.

Nghiên cứu được công bố ngày 17 tháng 6 năm 2021 trên tạp chí Nature Genetics, cung cấp hiểu biết mới về cách hoạt động của gen chỉ đạo sự phát triển của thực vật và cách thực vật phản ứng nhanh với môi trường của chúng - với điều kiện ánh sáng thay đổi sẽ kích hoạt các thay đổi phân tử trong vòng 5 phút. Phát hiện cung cấp thông tin chi tiết về cách tăng năng suất và bảo vệ sản lượng lương thực thế giới khi biến đổi khí hậu thu hẹp diện tích đất canh tác của hành tinh.

Cây trong bóng râm phát triển nhanh hơn và cao hơn với nỗ lực vượt qua tán cây và tiếp cận nhiều ánh sáng hơn. Đồng thời, điều kiện phát triển trong bóng râm khiến chúng ra hoa và tạo hạt sớm hơn bình thường, nhằm cạnh tranh với các cây khác. Những phản hồi này có thể hữu ích đối với hoa dại mọc trên đồng cỏ, nhưng tại các trang trại, chúng có thể làm giảm sản lượng và dẫn đến cây trồng có chất lượng thấp, đắng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã xem xét vai trò của các yếu tố phiên mã cụ thể trong việc kích hoạt phản ứng tăng trưởng này. Yếu tố phiên mã là các protein làm bật hoặc tắt gen bằng cách liên kết với DNA.

Nhóm nghiên cứu đã làm việc với những cây con đột biến thiếu yếu tố phiên mã được gọi là PIFs (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs). Khi họ trồng những cây này trong môi trường mô phỏng bóng râm, những cây không có PIF nhất định sẽ không kéo dài hoặc tăng tốc độ phát triển của chúng, mà thay vào đó chúng tiếp tục phát triển bình thường như thể chúng ở trong ánh sáng mặt trời đầy đủ. Trước đây, phòng thí nghiệm Chory đã chỉ ra rằng PIF7 đóng vai trò quan trọng nhất trong việc điều chỉnh sự tăng trưởng do bóng râm gây ra.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã xem xét kỹ hơn vai trò của histone trong quá trình này, đặc biệt là biến thể histone H2A.Z. Histone là các protein hoạt động giống như các ống cuộn cho các sợi DNA. Khi các histon được trao đổi hoặc sửa đổi, chúng có thể hoạt động để kích hoạt hoặc ngăn chặn một số gen nhất định.

Các nhà khoa học phát hiện ra rằng bóng râm của tán cây có thể loại bỏ histone H2A.Z ở các gen điều hòa tăng trưởng thông qua liên kết DNA của PIF7, từ đó kích hoạt sự biểu hiện của chúng.

Bằng cách sử dụng khoảng thời gian rất ngắn cho các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng PIF7 được kích hoạt, liên kết các gen mục tiêu của nó và bắt đầu loại bỏ H2A.Z, tất cả trong vòng 5 phút đầu tiên khi cây trải qua bóng râm.

Các nghiên cứu trước đây đã xác định PIFs và H2A.Z có vai trò quan trọng trong các phản ứng của thực vật khi tiếp xúc với nhiệt độ cao; tuy nhiên, thời gian của các sự kiện không được biết, đồng tác giả Björn Willige, một chuyên gia nghiên cứu của Viện Y khoa Howard Hughes tại phòng thí nghiệm Chory, lưu ý.

Ngoài việc kích hoạt phản ứng căng thẳng trong vòng năm phút, cảnh quan histone cũng phục hồi nhanh chóng khi bóng râm bị loại bỏ.

PIF đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh trưởng, phát triển và phòng trừ sâu bệnh của thực vật. Do đó, nhóm nghiên cứu hy vọng rằng những phát hiện của họ có thể được chuyển thành các phản ứng khác của thực vật quan trọng đối với nông dân, đặc biệt là liên quan đến việc giúp cây trồng chống chịu tốt hơn với biến đổi khí hậu. Sáng kiến ​​Khai thác Thực vật của Viện Salk giúp giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu bằng cách tối ưu hóa khả năng thu nhận và lưu trữ carbon tự nhiên của thực vật.

ctngoc