Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Thực vật lưu trữ carbon ở hai dạng chính: tinh bột và triacylglycerol (TAG). Tinh bột chủ yếu được lưu trữ trong lục lạp ở lá, nơi nó đóng vai trò là nguồn năng lượng dễ dàng có sẵn, trong khi TAG được lưu trữ trong hạt để dự trữ năng lượng lâu dài. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng có sự cân bằng carbon giữa hai dạng lưu trữ này, ngụ ý rằng sự gia tăng mức độ của một dạng thường làm giảm mức độ của dạng kia. Điều thú vị là các nỗ lực làm tăng TAG trong lá đã dẫn đến sự giảm mức độ tinh bột, cho thấy thực vật điều hòa nguồn carbon, ưu tiên tinh bột hoặc TAG. Việc hiểu được sự cân bằng này có thể giúp phát triển các loại cây có nhiều TAG hơn trong lá để cung cấp nguồn dầu thực vật bền vững.

Hiện nay, trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Thực vật học Thực nghiệm, các nhà nghiên cứu từ Đại học Chiba, Nhật Bản, đã cung cấp những hiểu biết mới về các yếu tố kiểm soát sự cân bằng carbon này. Phát hiện của họ cho thấy một gen, có tên là LIRI1, mã hóa cho một loại protein chưa biết, giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự cân bằng giữa dự trữ tinh bột và lipid trong lá cây bằng cách ảnh hưởng đến cả con đường sinh tổng hợp axit béo và tinh bột.

Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Takashi L. Shimada dqqnx đầu tại Đại học Chiba đã sử dụng phương pháp tiếp cận di truyền học để xác định các gen chịu trách nhiệm cho các mô hình lưu trữ carbon thay đổi. Họ đã sàng lọc các cây Arabidopsis đột biến biểu hiện mức TAG trong lá cao hơn và hàm lượng tinh bột thấp hơn, và cuối cùng xác định LIRI1 là một chất điều hòa chính.

Nói về cơ sở lý luận đằng sau nghiên cứu này, Phó Giáo sư Shimada cho biết, "Chúng tôi quan tâm đến cách thực vật phân bổ nguồn tài nguyên carbon. Cụ thể, tại sao hạt tích tụ nhiều lipid như vậy trong khi lá lại chứa rất ít? Việc trả lời câu hỏi này thông qua nghiên cứu của chúng tôi đã giúp mang lại sự đóng góp cho cả khoa học cơ bản và ứng dụng."

Thay vì đo trực tiếp hàm lượng TAG trong lá (vốn tốn nhiều thời gian), các nhà nghiên cứu đã đếm số giọt lipid (LD) lưu trữ TAG trong lá. Để phát triển các đột biến, các nhà nghiên cứu đã xử lý hạt Arabidopsis bằng ethyl methanesulfonate (một chất gây đột biến DNA). Các hạt mang một gen chuyển mã hóa protein huỳnh quang xanh được hợp nhất với CALEOSIN3, một protein định vị một cách tự nhiên với LD. Việc gắn thẻ huỳnh quang này cho phép các nhà nghiên cứu quan sát LD trong lá cây con dưới kính hiển vi huỳnh quang. Trong số các cây được sàng lọc, họ phát hiện ra một đột biến, có tên là lipid-rich 1-1 (liri1-1), có hàm lượng TAG cao gấp năm lần và hàm lượng tinh bột chỉ bằng một nửa so với cây hoang dã.

Sự tích lũy quá mức LD trong các đột biến liri1 được phát hiện là do mất chức năng gen LIRI1 trong lục lạp. Gen này tương tác với hai enzyme chính: acetyl-coenzyme a carboxylase carboxyltransferase alpha subunit (α-CT), rất cần thiết cho quá trình tổng hợp axit béo, và starch synthase 4 (SS4), tham gia vào quá trình tổng hợp tinh bột.

Dựa trên quan sát, các nhà nghiên cứu đề xuất rằng ở các cây hoang dã, LIRI1 thúc đẩy phân phối carbon bằng cách kích hoạt sản xuất tinh bột, ức chế sự phân hủy tinh bột hoặc thúc đẩy sự phân phối carbon cho sản xuất tinh bột với cái giá phải trả là TAG. Tuy nhiên, khi LIRI1 bị khiếm khuyết, các cơ chế này bị phá vỡ, đã chuyển sự phân phối carbon sang sản xuất TAG thay vì tinh bột. Các cây đột biến liri1 được phát hiện có khiếm khuyết về tăng trưởng và lục lạp không đều, cho thấy sự phân phối carbon thích hợp giữa TAG và tinh bột giữ vai trò trong sự phát triển bình thường của cây.

Những phát hiện này làm nổi bật vai trò của LIRI1 như một chất điều hòa chính trong sự cân bằng tinh bột-lipid ở thực vật. Trong khi nhu cầu sử dụng dầu thực vật làm nguồn nhiên liệu sinh học và thực phẩm tăng lên trên toàn thế giới, việc biến đổi đổi LIRI1 có thể cho phép phát triển các loại cây trồng có sự tích lũy TAG cao hơn trong lá để để đáp ứng cho nhu cầu này.

"Đột biến liri1 có thể hữu ích cho việc phát triển các loại cây trồng mới có hàm lượng TAG cao hoặc hàm lượng tinh bột thấp", Phó Giáo sư Shimada cho biết trong khi bình luận về những tác động thực tế của những phát hiện này. Ông nói thêm, "Những loại cây trồng như vậy cuối cùng có thể được điều chỉnh cho phù hợp với sức khỏe con người, ví dụ như các lựa chọn thực phẩm ít tinh bột cho những người mắc bệnh tiểu đường".