Cách cây trồng đối phó với tình trạng thiếu sắt

Thực vật thích ứng với việc thu nhận sắt từ rễ theo nhu cầu hiện tại của chúng. Thiếu sắt gây ra các tín hiệu canxi. Những thông tin này được chuyển đến, hoạt hóa protein FIT.

Ảnh: TS. Tzvetina Brumbarova

“Chúng tôi có thể theo dõi những cơ chế ở mức độ phân tử và mức độ tế bào mà liên kết với FIT để giải mã các tín hiệu canxi. Điều này rất quan trọng khi cây trồng phải kiểm soát sự hấp thu sắt phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài”, tiến sĩ Brumbarova và giáo sư Bauer giải thích. “Những phát hiện của chúng tôi có liên quan đến các câu hỏi về sinh học và y học cũng như liên quan đến các chất dinh dưỡng, những quá trình phát triển và cách phản ứng stress”, giáo sư Kudla nói.

Các nhóm nghiên cứu từ trường đại học Heinrich Heine và đại học Münster đã phát hiện ra một “công tắc” mới mà cây trồng sử dụng để kiểm soát phản ứng của chúng đối với tình trạng thiếu sắt. Những phát hiện từ nghiên cứu của họ trên cây mô hình Arabidopsis thaliana đã được công bố trên tạp chí Developmental Cell.

Sắt là chất dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật, động vật và cho cả con người. Sắt là nguyên tố cần thiết cho một loạt các quá trình trao đổi chất, ví dụ như quá trình quang hợp và quá trình hô hấp. Nếu một người bị thiếu sắt, điều này dẫn đến những ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của họ. Mỗi năm trên thế giới có hàng triệu người bị thiếu sắt. Sắt tham gia vào chuỗi thức ăn của con người thông qua thực vật, theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Mặc dù theo nguyên tắc có một lượng lớn sắt trong đất, cây trồng vẫn có thể bị thiếu sắt do kết cấu đặc biệt của đất. Ngoài ra, nhu cầu sắt của cây trồng thay đổi trong suốt quá trình sống của chúng và phụ thuộc vào điều khiện ngoại cảnh. 

Bởi vì thực vật thì có cuống và chúng không thể thoát khỏi tình huống tương ứng. Do đó, chúng phải tạo ra những cách để nhận biết các thay đổi của điều kiện môi trường và thích ứng với những thay đổi này. Đặc biệt theo quan điểm của biến đổi khí hậu, hiểu được các quá trình mà thực vật sử dụng để điều chỉnh sự thay đổi trong cung cấp dinh dưỡng khi mà các yếu tố môi trường trở nên khó có thể dự đoán là một yếu tố quan trọng  đối với ngành nông nghiệp, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực tạo ra các giống mới có năng suất cao hơn.

Điều hòa sắt là một hệ thống điển hình quan trọng trong sinh học thực vật để hiểu cách các quá trình điều hòa ở mức độ tế bào tác động lẫn nhau và các đường truyền tín hiệu liên quan. Các nhà nghiên cứu ở trường đại học Heinrich Heine dưới sự hướng dẫn của giáo sư Petra Bauer và cộng sự của bà tiến sĩ Tzvetina Brumbarova cùng với cùng với các nhà nghiên cứu ở trường đại học Münster dưới sự hướng dẫn của giáo sư Jörg Kudla và giáo sư Uwe Karst đã nghiên cứu những cơ chế và động lực đặc biệt của một protein được gọi là “FIT” trong việc hấp thu sắt và đã phát hiện ra các quá trình thông tin ở mức độ tế bào có ảnh hưởng đến “FIT”.

Protein “FIT” được phát hiện bởi nhóm của giáo sư Bauer, những cơ chế điều hòa của protein này được nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Thực vật ở đại học Heinrich Heine. FIT có thể biểu hiện ở trạng thái hoạt hóa hoặc bất hoạt. Ở cây mô hình Arabidopsis thaliana, protein FIT đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự hấp thu sắt. Cách mà cây trồng quyết định lượng sắt hấp thu và cách để truyền thông tin này đến cơ quan điều hòa như thế đang là đề tài nghiên cứu ở đại học Heinrich Heine. Các nhà nghiên cứu ở Düsseldorf  mô tả cơ chế điều hòa FIT kết hợp với các tín hiệu khác nhau được sử dụng bởi thực vật để đáp ứng lại các điều kiện môi trường và stress.

Các nhà thực vật học trong nhóm của giáo sư Kudla đến từ Viện Nghiên cứu Sinh học và Công nghệ Sinh học Thực vật ở Münster chuyên nghiên cứu việc truyền tín hiệu ở mức độ tế bào, đặc biệt là truyền tín hiệu canxi. Điều này liên quan đến việc truyền tín hiệu nhờ đó cây trồng biến đổi và chuyển những thông tin về môi trường và gây ra những phản ứng căng thẳng chẳng hạn, hoặc như đã chứng minh ở trường hợp hiện tại, một sự phản ứng tốt hơn đối với tình trạng thiếu sắt. Để kết thúc vấn đề này, nhóm nghiên cứu tại Viện nghiên cứu và Phân tích Hóa vô cơ ở đại học Münster đứng đầu là giáo sư Karst đã phân tích nồng độ sắt trong các cây trồng.

Hơn nữa, mối quan hệ chính xác giữa sắt và canxi vẫn chưa rõ ràng. Hiện nay, các nhà nghiên cứu ở đại học Heinrich Heine và đại học Münster đã phát hiện ra rằng việc thiếu sắt gây ra những tín hiệu canxi và có ảnh hưởng đáng kể đến cơ chế điều hòa FIT. Trong nghiên chung được công bố trên tạp chí Developmental Cell, nhóm nghiên cứu đã mô tả cách mà enzym CIPK 11 liên kết với sự phát hiện canxi có thể tương tác và đánh dấu protein FIT. Cuối cùng, thực vật có thể sử dụng FIT hoạt hóa để kiểm soát sự hấp thu sắt trong rễ và dự trữ sắt ở hạt của chúng.