Phát hiện các hợp chất giữ cho thực vật giữ nguyên độ tươi mới

Nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tìm kiếm các hợp chất biểu hiện khí khổng đóng, dự kiến ​​sẽ hữu ích cho khả năng chịu hạn để ngăn chặn sự héo rũ của thực vật, cũng như biểu hiện khí khổng mở, dẫn đến sự gia tăng CO2 của thực vật, góp phần giảm lượng các-bon. Nghiên cứu này khám phá một cách tiếp cận hóa học mới mà không dựa vào các phương pháp di truyền cổ điển để điều chỉnh việc mở khí khổng ở cây trồng.

Khí khổng là những lỗ nhỏ có mặt trên bề mặt cây, bao gồm lá, cánh hoa và các cơ quan khác, và chịu trách nhiệm trao đổi khí với khí quyển. Thông qua các lỗ này, thực vật hấp thụ các-bon đi-ô-xit cần thiết để quang hợp và giải phóng nước bằng sự thoát hơi, làm tăng hấp thu chất dinh dưỡng từ rễ. Do đó, việc tác động đến sự mở lỗ khí khổng là điều cần thiết cho sự phát triển của cây trồng cũng như sự sống của cây khi đáp ứng các điều kiện môi trường khác nhau.

Khí khổng bao gồm một cặp tế bào bảo vệ và mở ra để đáp ứng với ánh sáng màu xanh có mặt trong ánh sáng mặt trời. Việc mở khí khổng dẫn đến sự hấp thu các-bon đi-ô-xit, điều này giải thích lý do quang hợp xảy ra trong ngày. Khi cây ở trong điều kiện bóng tối và/hoặc hạn hán, một hoóc môn thực vật, abscisic axit (ABA) được tổng hợp và khiến khí khổng đóng lại. Khí khổng đóng vào ban đêm để tránh mất nước cho cây trồng.

Khi các tế bào bảo vệ trong khí khổng phát hiện ánh sáng màu xanh, các tế bào nhận kích thích ánh sáng, các tế bào hướng sáng được kích hoạt và gây ra tín hiệu. Kết quả là enzim bơm proton huyết tương (PM H + -ATPase) được kích hoạt, dẫn đến sự hấp thu của ion kali. Điều này gây nên sự hấp thu nước và tế bào phồng to ra giúp khí khổng mở. Mặc dù kích hoạt PM H + -ATPase được biết là có ý nghĩa đối với việc mở khí khổng, nhưng cơ chế mở khí khổng đầy đủ vẫn chưa rõ ràng.

Giáo sư Toshinori Kinoshita, nhà sinh học thực vật tại ITbM, người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Khi chúng tôi quan tâm đến việc nghiên cứu cơ chế mở khí khổng, chúng tôi đã quyết định sử dụng một thư viện hóa học để khám phá các phân tử ảnh hưởng đến sự mở của lỗ khí khổng. Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này vào năm 2014 và rất quan tâm đến việc sử dụng một phương pháp tiếp cận hóa học thay vì các kỹ thuật di truyền cổ điển. Chúng tôi cũng nghĩ rằng sử dụng các hợp chất để điều chỉnh sự vận động của khí khổng rất hữu ích cho việc phát triển các hóa chất cho nông nghiệp”.

Sử dụng thảo mộc, hoa hướng dương Benghal như một cây trồng mô hình, tiến sĩ Shigeo Toh, ông Shinpei Inoue, và Tiến sĩ Yosuke Toda, đã thiết lập các điều kiện thử nghiệm để sàng lọc hơn 20.000 hợp chất. Họ đã tìm ra các hợp chất có ích sau một năm sàng lọc ngẫu nhiên. Kết quả bao gồm 9 hợp chất ngăn chặn hơn 50%s ự mở cửa của khí khổng do ánh sáng, và 2 hợp chất làm cho lỗ khí khổng mở ra ngay cả trong bóng tối.

Các phân tích tiếp theo về các hợp chất khử khí (SCLs), SCL1 và SCL2 đã cho thấy rằng chúng ức chế các thành phần tín hiệu giữa thụ thể phototropin và enzim PM H + -ATPase, do đó ức chế hoạt động nhẹ của PM H + -ATPase và dẫn tới việc ngăn khí khổng mở ra.

Các nhà nghiên cứu cũng đã phun SCL1 trên lá hoa hồng và yến mạch và thấy rằng họ đã thành công trong việc ngăn chặn tình trạng lá bị héo trong một khoảng thời gian nhất định.

Cùng với tác dụng đóng khí khổng của cây trong điều kiện hạn hán, ABA còn được biết đến như một chất ức chế sự nảy mầm hạt và sự phát triển của cây. Mặc dù ABA và các dẫn xuất của nó hiện đang được phát triển như các chất thử để tạo ra khả năng chịu hạn cho cây trồng, nhưng các phản ứng phụ của chúng là một vấn đề. SCL1 cho thấy chỉ có tác động đối với việc đóng lỗ khí khổng, vì vậy nhóm nghiên cứu dự tính rằng đây là một điểm khởi đầu tốt cho việc phát triển thuốc thử mới cho khả năng chịu hạn. Họ cho rằng những loại hợp chất này có ích cho việc giữ hoa tươi và giảm chi phí vận chuyển bằng cách phun các hợp chất trên cây.