Các nhà sinh học khám phá một phức hợp protein 'buổi tối' điều chỉnh sự phát triển của thực vật

Ngày 13 tháng 7 năm 2011

Bởi Kim McDonald

Đậu nành mọc thành chùm ngay trước bình minh.

Nông dân và những người quan sát thiên nhiên sắc sảo khác từ lâu đã biết rằng các loại cây trồng như ngô và lúa miến phát triển cao hơn vào ban đêm. Nhưng các cơ chế sinh hóa kiểm soát sự kéo dài thân cây hàng đêm này, phổ biến đối với hầu hết các loài thực vật, vẫn là một điều bí ẩn đối với các nhà sinh vật học – cho đến tận bây giờ.

Trong ấn phẩm trực tuyến đầu tuần này của tạp chí Nature , các nhà sinh vật học tại Đại học California, San Diego báo cáo việc họ phát hiện ra một phức hợp protein mà họ gọi là "phức hợp buổi tối (evening complex)" điều chỉnh sự phát triển nhịp nhàng của thực vật trong đêm. Quan trọng hơn, các nhà sinh học chỉ ra cách phức hợp protein này được phối hợp phức tạp thông qua đồng hồ sinh học với các gen thúc đẩy sự kéo dài của thân cây theo cách có thể cho phép các nhà nhân giống cây trồng tạo ra các giống cây trồng mới phát triển nhanh hơn, tạo ra sản lượng lương thực cao hơn hoặc tạo ra nhiều sinh khối trên một mẫu đất để chuyển đổi thành nhiên liệu sinh học.

Steve Kay, trưởng khoa Khoa học Sinh học của UC San Diego, người đứng đầu nỗ lực nghiên cứu cho biết: “Khám phá này cho chúng ta hiểu biết ở cấp độ phân tử về cách thức đồng hồ sinh học điều chỉnh sự phát triển theo chu kỳ ở thực vật. "Và nó ngay lập tức cung cấp cho chúng tôi khả năng xử lý về cách chúng tôi có thể thao tác và kiểm soát năng suất thực vật hoặc sự lắng đọng sinh khối."

Trong khi hầu hết mọi người cho rằng thực vật phát triển với tốc độ chậm và ổn định suốt cả ngày lẫn đêm, Charles Darwin và những người khác cách đây hơn một thế kỷ đã quan sát thấy rằng chúng thực sự phát triển thành từng đợt vào đêm khuya, với thân cây dài ra nhanh nhất trong vài giờ trước bình minh .

Kay nói: “Thực vật phát triển nhịp nhàng. "Một số loại cây, chẳng hạn như cây lúa miến, có khả năng dài ra từ 1 cm trở lên mỗi đêm."

Ban đầu, các nhà sinh vật học của UCSD tập trung sự chú ý của họ vào ba gen từ một cây cải nhỏ có tên là Arabidopsis , được các nhà di truyền học sử dụng làm mô hình phòng thí nghiệm cho thực vật. Khi chúng bị vô hiệu hóa do đột biến, ba gen này sẽ phá vỡ đồng hồ sinh học của cây và thúc đẩy cả thân dài ra và ra hoa sớm.

Kay cho biết: “Ba gen này rất được quan tâm vì sự mất chức năng của mỗi gen trong số chúng sẽ giết chết đồng hồ sinh học, gây ra một thân mầm dài hoặc thân non và có xu hướng ra hoa sớm”. "Chúng tôi nghĩ rằng có thể chức năng của chúng có liên quan với nhau. Vì vậy, cuộc điều tra này về cơ bản đã được bắt đầu để tìm ra chức năng của ba gen này."

Câu trả lời cho câu hỏi có vẻ đơn giản đó đã khiến các nhà sinh vật học mất hơn sáu năm để giải đáp. Những nỗ lực của họ được dẫn dắt bởi ba nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Kay: Dmitri Nusinow, Anne Helfer và Elizabeth Hamilton.

Laurie Tompkins, người giám sát các khoản trợ cấp đồng hồ sinh học tại Viện Y tế Quốc gia của Viện Y tế Quốc gia cho biết: “Đồng hồ sinh học kiểm soát thời gian của nhiều quá trình phát triển và sinh lý khác thường ở người và các loài khác, nhưng tìm ra cách chúng làm điều này là khó khăn”. Khoa học y tế tổng quát, nơi tài trợ cho nghiên cứu. " Arabidopsis là lý tưởng cho loại phân tích này, vì các nhà nghiên cứu có thể sử dụng nhiều công cụ sinh hóa và di truyền tinh vi để nghiên cứu các tương tác phân tử vào các thời điểm khác nhau trong ngày và sau đó dễ dàng quan sát sự phát triển của cây nhỏ bé."

Tín dụng hình ảnh: Yhew Pongsawakul

Do ba gen Early Flowering3 (hoặc ELF3), ELF4 và LUX–có các hoạt động sinh học đạt cực đại vào đầu buổi tối, nên các nhà sinh vật học của UCSD tự hỏi liệu ba gen này có hoạt động cùng nhau trong một phức hợp protein hay không. Thông qua một loạt các thí nghiệm trong tế bào nấm men, họ đã xác định được ba gen tạo ra các protein tương tác với nhau, nhưng theo một cách cụ thể. ELF3 đóng vai trò là protein kết nối mang ELF4 và LUX lại với nhau, nhưng hai loại sau không tương tác với nhau nếu không có sự trợ giúp của ELF3.

Phức hợp protein này được các nhà khoa học UCSD mệnh danh là "phức hợp buổi tối", họ đã xác minh ở cây Arabidopsis rằng không chỉ các hoạt động sinh học của ba thành phần của phức hợp protein này đạt cực đại vào buổi tối, mà bản thân sự hình thành của phức hợp buổi tối cũng vậy.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã tìm cách trả lời câu hỏi về vai trò sinh lý của phức hợp protein này đối với thực vật. Một manh mối chính đã chỉ cho họ đi đúng hướng: Khi bất kỳ một trong ba gen kiểm soát phức hợp protein này bị vô hiệu hóa, cây cối sẽ có thân cây dài ra.

Kay cho biết: “Phức hợp protein này rõ ràng đang hoạt động như một chiếc phanh hãm tốc độ tăng trưởng. "Vì vậy, khi chúng ta biến đổi bất kỳ gen nào trong số này, cây sẽ dài ra nhiều hơn."

Trong một loạt thí nghiệm khác, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng phức hợp buổi tối sẽ kìm hãm hoạt động của hai gen trong thực vật–PIF4 và PIF5–rất quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của thực vật.

Kay cho biết: “Những gì chúng tôi trình bày trong bài báo của mình là phức hợp buổi tối liên kết với các chất xúc tiến của PIF4 và PIF5 và, vào cuối ngày và đầu đêm, ngăn cản thực vật phát triển”. "Và khi mức độ của phức hợp buổi tối bắt đầu giảm xuống, PIF4 và PIF5 được thể hiện và thúc đẩy các chương trình biểu hiện thực vật hỗ trợ kéo dài thân cây, và sự kìm hãm sự phát triển của thực vật bị loại bỏ."

Trong mô hình tăng trưởng thực vật mới do các nhà khoa học phát triển này, PIF4 và PIF5 điều khiển bàn đạp ga kích hoạt thực vật phát triển, trong khi ba gen tạo ra phức hợp buổi tối hoạt động như phanh và hoạt động với đồng hồ sinh học của thực vật để cho phép tăng trưởng nhanh nhất. phát triển vào cuối buổi tối và sáng sớm.

Kay cho biết: “Không ai biết quy định tăng trưởng thực vật theo chu kỳ này hoạt động như thế nào ở cấp độ phân tử, nhưng đây phải là một trong những cơ chế chính. "Điều này thực sự mang lại cho chúng ta hiểu biết phân tử về cách thức đồng hồ sinh học điều chỉnh sự phát triển theo chu kỳ ở thực vật."

Tại sao thực vật tính thời gian cho chu kỳ ngày đêm của chúng để phát triển nhanh nhất vào đêm khuya và rạng sáng vẫn còn là một bí ẩn, nhưng Kay nghi ngờ rằng đó có thể là khi các nguồn tài nguyên sẵn có nhất vì thực vật lưu trữ những gì chúng tạo ra từ quá trình quang hợp trong ngày dưới dạng tinh bột. , sau đó phá vỡ tinh bột và protein đó vào ban đêm để chúng sẵn sàng cho sự phát triển.

Các nhà sinh vật học của UCSD đã phát hiện ra các đỉnh phức hợp buổi tối vào đầu buổi tối, khiến cho sự kéo dài của thân cây xảy ra muộn hơn trong đêm.

Ông nói: “Thực vật phải phối hợp sự phát triển của chúng với sự sẵn có của các nguồn tài nguyên. "Thực sự không có lợi ích gì cho những loài thực vật này để ngày càng lớn hơn nếu chúng không điều phối các nguồn trao đổi chất của chúng, vốn diễn ra theo chu kỳ với quá trình quang hợp mỗi ngày. Vì vậy, có lẽ thực vật phát triển nhịp nhàng để điều phối sự tăng trưởng với các nguồn trao đổi chất sẵn có."

Khi các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các cơ chế kiểm soát tăng trưởng thực vật này, các ứng dụng thương mại tiềm năng cho nông nghiệp có thể mở rộng cũng như ý nghĩa của chúng. Việc phát hiện ra các cơ chế của phức hợp buổi tối cuối cùng sẽ cung cấp cho các nhà di truyền học thực vật một cách mới để tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng để chúng có thể sản xuất nhiều lương thực hơn hoặc nhiều sinh khối hơn trên mỗi mẫu Anh để sản xuất nhiên liệu sinh học.

Kay cho biết: “Khám phá này cho chúng ta biết rằng đồng hồ sinh học đang kiểm soát hàng chục triệu tấn sinh khối lắng đọng mỗi đêm ở Hoa Kỳ có thể được sử dụng cho năng lượng sinh học. "Bây giờ chúng ta đã hiểu khí đốt và hệ thống hãm là gì trong việc kiểm soát sự phát triển của thực vật, chúng ta có thể điều khiển chúng để tối đa hóa sự lắng đọng sinh khối. Chúng ta có thể làm điều đó bằng cách tăng lượng khí đốt lên hoặc giảm bớt việc hãm lại hoặc có thể theo một cách tinh vi hơn bằng cách kết hợp khí và phanh để chúng tôi cho phép cây tối đa hóa các chất dinh dưỡng có sẵn, điều này sẽ cho phép nó tối đa hóa sự lắng đọng sinh khối. Đây có thể là một cách để tối ưu hóa sự phát triển của cây cho một môi trường cụ thể mà chúng tôi không muốn bổ sung thêm chất dinh dưỡng vào đất."

Kay cho biết một ứng dụng hoàn toàn không liên quan khác cho tổ hợp buổi tối có thể là làm cho thực vật, đặc biệt là cây lương thực, chịu được nhiệt độ lạnh hoặc đóng băng tốt hơn.

Ông nói: “Khi bạn tạo ra những đột biến đối với những gen này, cây trồng sẽ kém khả năng chịu lạnh và nhiệt độ thấp. "Vì vậy, chúng tôi nghĩ rằng khu phức hợp buổi tối có khả năng đóng một vai trò trong khả năng chịu lạnh và đó là điều khác mà chúng tôi sẽ điều tra."