Các nhà khoa học tiết lộ bí ẩn lâu đời về enod40, một gen tiên phong trong nghiên cứu nốt sần ở cây họ đậu, đánh dấu đặc điểm nhận dạng nốt sần

Một gen được xác định cách đây hơn 30 năm nay đã tiết lộ vai trò của nó như một miếng bọt biển microRNA tự nhiên (miRNA) để điều chỉnh con đường hình thành nốt sần ở cây họ đậu, nhờ vào sự hợp tác quốc tế do Đại học Wageningen và Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge dẫn đầu.

Nốt sần là những cơ quan chuyên biệt được tìm thấy trên rễ cây họ đậu, cung cấp nơi ở và carbon cho vi khuẩn đất, để đổi lấy nitơ.

Gen hình thành nốt sần sớm (ENOD40) lần đầu tiên được các cộng tác viên từ Đại học Wageningen xác định vào năm 1993 trên cây đậu tương (Gylcine max) là hoạt động trong giai đoạn đầu hình thành nốt sần rễ.

Là một trong những gen phản ứng sớm nhất với vi khuẩn đất khởi đầu hình thành nốt sần rễ, ENOD40 từ lâu đã đóng vai trò là gen đánh dấu để nghiên cứu sự cộng sinh giữa thực vật và vi khuẩn rễ.

Chỉ trong vòng vài giờ sau khi tiêm chủng, và trước khi bất kỳ thay đổi rõ ràng nào xảy ra, ENOD40 được kích hoạt sâu bên trong mô rễ, đánh dấu quyết định của cây trong việc bắt đầu xây dựng các ổ vi khuẩn.

Tuy nhiên, vai trò chính xác của nó vẫn chưa rõ ràng. Được công bố trên tạp chí PNAS, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng ENOD40 cô lập một miRNA thường làm giảm chất điều hòa dương tính của nốt sần. MiRNA được biết là điều hòa biểu hiện gen bằng cách liên kết với RNA thông tin (mRNA), trong trường hợp này, mRNA mã hóa cho một chất điều hòa dương tính và chỉ đạo mRNA bị phá hủy. Bằng cách cô lập microRNA, ENOD40 điều chỉnh sự biểu hiện của chất điều hòa dương tính để hình thành các nốt sần cố định đạm thành công.

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một đột biến của mô hình cây họ đậu, cây Medicago truncatula, thiếu ENOD40 và nhận thấy khả năng hình thành nốt sần của chúng bị giảm đáng kể.

Tiến sỹ Nadia Mohd-Radzman, đồng tác giả đầu tiên của Phòng thí nghiệm Sainsbury tại Đại học Cambridge, cho biết: “Cấu trúc di truyền của ENOD40 rất khác thường: Một đầu mã hóa một peptide nhỏ chỉ gồm 12 – 13 axit amin, trong khi đầu kia chứa một đoạn RNA được bảo tồn cao gọi là ‘box2’”. Vùng box2 này mô phỏng vị trí liên kết của microRNA169, ngăn không cho nó nhắm vào NF-YA1 – một yếu tố điều hòa dương tính cốt lõi cần thiết ngay từ đầu quá trình hình thành nốt sần”.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi tìm thấy một gen thực vật kết hợp hai đặc điểm bất thường này, mã hóa một peptide nhỏ với một trình tự bắt chước microRNA tích hợp sẵn. Điều đáng chú ý là chỉ cần đưa vào vùng box2 (hoặc thậm chí là một trình tự bắt chước nhân tạo của microRNA mục tiêu) đã khôi phục phần lớn khả năng đã mất này”.

“Giống như việc phát hiện ra rằng dụng cụ thí nghiệm cũ đáng tin cậy của bạn đã là một điệp viên hai mang tinh vi từ trước đến nay”.

Tiến sỹ Mohd-Radzman mô tả chức năng kép được cho là của ENOD40 là tinh tế và khác thường.

Cấu trúc kép này, với một khả năng mã hóa peptide nhỏ được nhúng trong một bản sao RNA không điển hình, là cấu trúc đầu tiên thuộc loại này được phát hiện ở sinh vật nhân chuẩn.

Hơn một thập kỷ sau, vào năm 2007, một gen tương tự có tên là tarsal-less đã được xác định ở ruồi giấm (Drosophila melanogaster). Giống như ENOD40, nó thể hiện chức năng kép, mã hóa peptide từ một bản sao mRNA dài hơn.

Tiến sỹ Mohd-Radzman cho biết: “Nghiên cứu này không chỉ giải quyết một câu đố lâu đời trong sinh học phân tử thực vật, mà còn tiết lộ một lớp kiểm soát mới trong cách thực vật điều chỉnh mối quan hệ cộng sinh của chúng với vi khuẩn”.

Tiến sỹ Radzman nói thêm: “ENOD40 thực sự là một phân tử đa diện. Giờ đây, khi chúng tôi đã thiết lập được chức năng bắt chước mục tiêu của nó thông qua box2, các nghiên cứu trong tương lai sẽ đi sâu vào việc tiềm năng mã hóa peptide và cấu trúc RNA của nó đóng góp như thế nào vào quá trình hình thành nốt sần và hơn thế nữa, vì cách thức những đặc điểm này liên quan đến các nốt sần ở thực vật vẫn chưa rõ ràng. Liệu những đặc điểm này có tương quan với các quá trình riêng biệt hay chúng đan xen để kiểm soát cùng một quá trình?”.

“Các công cụ mới nổi như phiên mã tế bào đơn và không gian có thể sớm làm sáng tỏ sự tương tác đặc hiệu tế bào giữa ENOD40, miRNA169 và NF-YA1, hé lộ những chi tiết cụ thể hơn về cách thức cây họ đậu điều phối quá trình hình thành cơ quan cộng sinh”.

“Những phát hiện này đại diện cho một bước tiến quan trọng trong hiểu biết của chúng ta về lncRNA và peptide ở thực vật, với những hàm ý tiềm năng trong việc cải thiện năng suất cây họ đậu và nâng cao hiểu biết của chúng ta về cơ chế điều hòa qua trung gian RNA”.

Nghiên cứu được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS).

Võ Như Cầm theo Phòng thí nghiệm Sainsbury