Tín hiệu giữa các tế bào kích hoạt tổng hợp quang hóa và cơ chế phòng vệ của cây

Đèn giao thông ra tín hiệu cho ô tô và xe buýt khi nào cần dừng lại, khi nào cần đi chậm lại và khi nào lưu thông. Giống như những tín hiệu đèn giao thông, các tế bào cây trồng gửi các tín hiệu cho nhau để thực hiện tổng hợp quang hóa cho tăng trưởng hoặc phòng vệ trước sự tấn công của các mầm bệnh và virus.

Các tế bào cây trồng tạo ra plasmodesmata, những cái ống bé xíu xiu đóng vai trò như các kênh truyền thông, cho phép các tín hiệu đó chuyển từ tế bào đến tế bào. Plasmodesmata sẽ mở và đóng phản hồi với vô số các tín hiệu hoạt hóa các bộ điều chỉnh protein như PDLP5.

“Chúng ta biết rằng loại protein này tối cần thiết cho phản ứng phòng vệ của thực vật”, Jung-Youn Lee, một giáo sư sinh học phân tử và tế bào ĐH Delaware và giám đốc Viện Công nghệ sinh học Delaware, nói. “Nhưng bằng cách nào mà chính protein đó nhận được tín hiệu từ plasmodesmata?”.
Câu hỏi này – cách các bộ điều chỉnh protein tìm được đích đến phù hợp với mục tiêu của mình và hỗ trợ chức năng của một tế bào – đã thu hút nhiều nhà khoa học. Cho đến khi các nhà khoa học ĐH Delaware bước vào cuộc chơi này.

Trong nghiên cứu mới được đưa vào vị trí tiêu điểm của tạp chí The Plant Cell, các nhà nghiên cứu của Delaware đã tìm thấy protein PDLP5 đã không chỉ giúp bảo vệ cây khỏi sự xâm lấn của các virus và vi khuẩn mà còn là hai tín hiệu hướng đích cụ thể, hoặc “các mã zip” như Lee gọi chúng, trú ngụ ở bên ngoài các tế bào ¹.

“Nó hầu như giống việc anh có một mã số ẩn bên trong một cạnh khác của phong bì thư”, Lee nói. “Chúng tôi có nhiều thứ hơn cả vị trí của mã số này; chúng tôi phá mã. Và giờ thì chúng tôi hiểu mã số này đến từ đâu và nó giống thứ gì”.

Một nhóm nghiên cứu liên ngành của các nhà sinh vật học và khoa học tính toán đã phát triển các thuật toán học máy và đưa các đột biến vào trong chuỗi protein PDLP5 và đưa nó trở lại vào loài rau cải Arabidopsis thaliana và Nicotiana benthamiana để kiểm tra xem tại sao PDLP5 có thể truyền tín hiệu hoặc không truyền được tín hiệu tới plasmodesmata trong các cây này và tìm nơi nào có mã số thứ hai. Nhóm nghiên cứu đã khám phá ra ngay cả họ không có một trong hai mã số thì PDLP5 có thể vẫn truyền được tín hiệu tới plasmodesmata một cách thoải mái. “Nó khiến chúng tôi đau đầu”, Lee nói. “Chúng tôi chưa bao giờ nghĩ rằng ban đầu thì hai mã số zip đó nằm ngay cạnh nhau”.

Hai mã số

Về mặt lịch sử, cây cối bị virus tấn công được coi như những kẻ thua cuộc bất lực, Lee nói. Nhưng vào năm 2011, Lee và nhóm nghiên cứu của mình đã khám phá ra việc cây cối gửi các tín hiệu thông qua plasmodesmata cho các tế bào “gần với biên giới mình” để bảo vệ chúng khỏi các mầm bệnh. Điều này rọi cái nhìn mới vào việc nhận ra protein PDLP5.

Họ muốn biết tại sao cây cối lại dẫn các PDLP5 đó để giúp plasmodesmata đóng các kênh dẫn của chúng.

Nhiều năm sau, một cựu sinh viên của Lee là Xu Wang làm đề tài tiến sĩ về truyền thông tế bào tới tế bào trong thực vật và chức năng của các protein qua plasmodesmata. “Tôi đã cố gắng xác định ra phần nào của protein định vị plasmodesmata là quan trọng”, Wang nói, “và liệu phần này có chứa những đặc điểm phổ quát hoặc chung nhất có thể giúp chúng tôi hiểu được các cơ chế định vị cho các loại protein khác hay chỉ cho đúng loại protein mà chúng tôi đang nghiên cứu”.

Khi Wang đưa nhiều đột biến vào PDLP5 để cố gắng tìm hiểu điều này, anh đã bất ngờ trước điều diễn ra. “Không có gì thay đổi hết”, Wang kể. “Đột biến hay một dạng tốc ký, luôn luôn hướng đến plasmodesmata”. Wang cảm thấy nghiên cứu của mình và phần cuối của luận văn tiến sĩ của mình khớp với nhau.

Sau khi Wang hoàn thành luận án, Lee đã mời các nhà khoa học tính toán vào phát triển các thuật toán để giúp giải quyết bí ẩn này. Li Liao, một phó giáo sư khoa học tính toán và thông tin, làm việc với Lee và postdoc cô mới tuyển dụng là Gabriel Robles Luna (hiện là đang làm việc tại một trường đại học ở Argentina) về nghiên cứu này, cho biết một mô hình tính toán huấn luyện thuật toán học máy để cho ra hai dạng dự đoán.

Mô hình này có thể dự đoán liệu một chuỗi protein như protein hướng đích PDLP5 có thể tới plasmodesmata hay không và có thể dự đoán nơi nào các tín hiệu hướng đích đến với chuỗi protein này.

“Một thách thức là bài toán mà chúng tôi có lại chỉ có một lượng dữ liệu giới hạn, chỉ tám chuỗi protein”, Liao nói. “Hiện tại, học máy rất hữu dụng vì nó có thể được huấn luyện trên một lượng dữ liệu lớn. Không dễ sàng nếu anh chỉ có một lượng dữ liệu nhỏ để huấn luyện cho một mô hình”.

Để vượt qua điều đó, Liao và nghiên cứu sinh của anh là Jiefu Li đã phải huấn luyện mô hình theo một cách khác. “Chúng tôi đã phát triển một số cơ chế mới, bao gồm việc xem xét lại tiêu chuẩn huấn luyện thuật toán để giait quyết các tín hiệu thành phần”, Liao nói. “Nếu chúng tôi biết một số mẫu hình nào đó, chúng tôi có thể tích hợp vào thuật toán huấn luyện. Điều này cho phép chúng tôi thúc đẩy việc học rất nhiều”.

Hiểu biết về bộ điều phối protein bên trong các tế bào thực vật có thể cuối cùng giúp các nhà khoa học biến đổi về mặt di truyền để tạo ra những giống mới có thể chống lại nhanh hơn với vi khuẩn và những mầm bệnh vi sinh khác, Lee nói. Có nhiều cách để cải thiện chức năng của cây cối và giống.
“Nó trở thành một bộ công cụ thú vị cho các nhà khoa học”, Lee nói. “Chúng tôi có các cơ chế và các phân tử mà chúng tôi có thể điều khiển”.

Wang đồng ý với nhận định này và cho biết thêm là những chỉnh sửa về mặt di truyền cây cối với các protein định vị plasmodesmata có thể mở và đóng các kênh dẫn sẽ giúp “điều khiển toàn bộ sức khỏe cây trồng hoặc sự phòng vệ của cây trồng cho những lợi ích nông nghiệp tiềm năng”.

Nghiên cứu này không chỉ dừng ở đây. Các nhà nghiên cứu nộp một đề xuất tài trợ khác tới Quỹ Khoa học quốc gia Mỹ để tiếp tục nghiên cứu của mình. Giờ họ muốn sử dụng các thuật toán học máy để biết các tín hiệu protein đó được cây sử dụng như thế nào. GIống như một lái xe UPS phải sử dụng một mã số để phân phối gói hàng, Lee nói nhóm nghiên cứu muốn biết tất tật bên trong và bên ngoài của toàn bộ “hệ thống phân phối đó”, bao gồm các protein tham gia vào và cả những tay chơi dấu mặt khác.

“Nếu chúng tôi chỉ điều khiển mã số này thì mới chỉ đạt hiệu suất 50%”, Lee nói. “Nhưng nếu chúng tôi biết ai là người phân phối và cải thiện hoặc thách thức công việc của họ, vì một virus không thể được chuyên chở qua plasmodesmata, nếu chúng tôi có thể thay đổi được hệ này, cây cối sẽ ghi nhận các loài xâm lấn tốt hơn và biết là không cần chở chúng tới plasmodesmata nữa”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2023-10-exploring-cell-to-cell-trigger-photosynthesis-defense.html

https://www.udel.edu/udaily/2023/october/plant-science-plasmodesmal-proteins-jung-youn-lee-li-liao/

————————————

1. https://academic.oup.com/plcell/article/35/8/3035/7178006?login=false