Đường hướng diều hòa là do các phân tử nhỏ. Điều hòa phiên mã thông qua con đường sinh tổng hợp đơn giản hóa có thể được kích hoạt bởi các chất chuyển hóa được tạo ra [hướng theo những đường cong mũi tên màu đỏ], hoạt động song song với sự ức chế biến hình của các enzyme sinh tổng hợp [đường cong màu xanh]. Sự điều hòa phiên mã có thể hướng đi lên hoặc đi xuống. Chữ viết tắt: Pol II, RNA polymerase II; TF là yếu tố phiên mã. Sơ đồ được tạo ra bằng sử dụng phần mềm BioRender.com . Nguồn: Trends in Plant Science [2023]. DOI: 10.1016/j.tplants.2023.07.012.
Trao đổi chất ở thực vật rất phức tạp. Nhiều năm qua, các nhà khoa học đã tập trung vào nghiên cứu các chất chuyển hóa thứ cấp, các hợp chất mà thực vật tạo ra để tăng cường cơ chế phòng vệ và sinh tồn của chúng.
Ying Li, phó giáo sư về làm vườn và kiến trúc cảnh quan tại Đại học Purdue cho biết: “Gần đây chúng tôi mới bắt đầu đánh giá cao các gen liên quan đến việc tạo ra các chất chuyển hóa thứ cấp chuyên biệt, mà nó đang được điều chỉnh. Chúng được bật lên khi cây cần tạo ra các chất chuyển hóa thứ cấp và bị tắt khi cây không cần tạo ra chúng nữa”.
Natalia Dudareva của Purdue, giáo sư Hóa sinh, Làm vườn và Kiến trúc Cảnh quan xuất sắc của Purdue, cho biết: “Ngoài ra, các chất chuyển hóa thứ cấp thường gây độc cho tế bào khi chúng tích tụ ở mức cao, như chúng ta đã thấy khi chúng ta điều khiển sức đề kháng của các rào cản mà các chất chuyển hóa thứ cấp dễ bay hơi phải đối mặt đi qua để được thải vào khí quyển. Tuy nhiên, các tế bào cảm nhận được sự tích tụ của các hợp chất độc hại này và điều hòa các gen chịu trách nhiệm hình thành tiền chất cho những chất dễ bay hơi”.
Trong số đặc biệt của tạp chí Trends in Plant Science, Li và Dudavera nhấn mạnh tầm quan trọng của các chất chuyển hóa chuyên biệt trong việc điều chỉnh các gen mà thực vật sử dụng để hình thành các hợp chất hóa học. Dudareva chỉ đạo và Li là thành viên của Trung tâm Sinh học Thực vật của Trường Đại học Purdue, nhằm mục đích cung cấp sự hiểu biết rõ ràng hơn về các quá trình ảnh hưởng đến sinh học thực vật.
Li cho biết: “Chúng tôi đã thấy những gợi ý ban đầu rằng bản thân các chất chuyển hóa thứ cấp có thể là tín hiệu để nói, 'Được rồi, bây giờ chúng ta cần bật và tắt các gen đó'. Và chúng ta hầu như không biết gì về cách thực vật cảm nhận được các chất chuyển hóa sau đó dẫn đến việc bật và tắt các gen”.
Việc phân loại sự phức tạp của quá trình trao đổi chất thứ cấp đặt ra những thách thức vì quá trình này mang tính đặc thù cao đối với từng loại thực vật khác nhau. Đôi khi, chỉ những tế bào cụ thể mới tạo ra chất chuyển hóa thứ cấp tại một thời điểm cụ thể đối với một loại thực vật nhất định. Thực vật thường tạo ra các chất chuyển hóa với số lượng nhỏ nên khó phát hiện.
Các nhà nghiên cứu cũng cần kiểm tra xem các chất chuyển hóa tương tác với protein như thế nào. Li cho biết: “Điều đó cho phép bạn biết protein nào có thể cảm nhận và liên kết với các chất chuyển hóa này”. Quy định gen cũng có liên quan. “Bạn phải có khả năng kiểm tra biểu hiện của gen. Điều đó được thực hiện nhờ bộ công cụ giải trình tự thế hệ tiếp theo”.
Bà nói, mặc dù một loài thực vật cụ thể tạo ra các chất chuyển hóa độc đáo của riêng nó, nhưng “trình tự gen tiếp theo trong 20 năm qua cho phép chúng ta xem xét hoạt động bộ gen của bất kỳ loài thực vật nào”.
Giống như nhiều nhà khoa học thực vật, Li tập trung phần lớn nghiên cứu của mình vào quá trình trao đổi chất sơ cấp, đặc biệt là quá trình chuyển hóa nitơ mà thực vật dựa vào để phát triển. Mức độ chuyên môn hóa trong quá trình trao đổi chất thứ cấp khiến cô ngạc nhiên. Cô cho biết, bất chấp sự khác biệt giữa quá trình trao đổi chất sơ cấp và thứ cấp, chúng dường như tuân theo các quy tắc tương tự ở cấp độ phân tử.
Li cho biết: “Các chất chuyển hóa thứ cấp rất quan trọng để cây thích ứng với môi trường căng thẳng. Ví dụ, trong thời gian hạn hán hoặc mầm bệnh tấn công, các chất chuyển hóa thứ cấp giúp chống lại những căng thẳng đó”. Trao đổi chất thứ cấp cũng rất quan trọng cho sự thành công của quá trình thụ phấn. Hoa thu hút côn trùng, nhưng biến đổi khí hậu mang đến mối lo ngại về việc liệu mối quan hệ thụ phấn của thực vật có thể tiếp tục hay không.
“Vì những lý do này, người ta luôn mơ ước có thể thực hiện kỹ thuật trao đổi chất để làm cho thực vật tạo ra nhiều chất chuyển hóa chuyên biệt tốt cho sự sống của thực vật, khả năng chống chịu tốt hơn trước tình trạng căng thẳng, sản xuất thuốc hoặc thu hút côn trùng thụ phấn tốt hơn”. cô nói.
Các nhà nghiên cứu cần hiểu rõ hơn về việc sản xuất quá nhiều chất chuyển hóa có thể làm rối loạn sự điều hòa gen. Nhưng nếu quá trình này có thể bị gián đoạn ở đúng nơi, “chúng ta có thể tạo ra nhiều chất chuyển hóa một cách an toàn vì nó không kích hoạt cơ chế điều hoà phản hồi”, Li nói.