นักวิจัยค้นพบกลไกการควบคุมโปรตีน DELLA ในพืช

นักวิจัยจากภาควิชาชีวเคมีที่สถาบันวิทยาศาสตร์อินเดีย (IISc) ได้ค้นพบกลไกที่ค้นคว้ามานานซึ่งใช้โดยพืชบกดั้งเดิม เช่น ไบรโอไฟต์ (รวมทั้งมอสและลิเวอร์เวิร์ต)ควบคุมการเจริญเติบโตของพืช– กลไกที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในพืชดอกที่วิวัฒนาการมาในยุคใหม่ด้วยเช่นกัน

การศึกษาที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemical Biology มุ่งเน้นไปที่การควบคุมแบบไม่คลาสสิกของโปรตีน DELLA ซึ่งเป็นตัวควบคุมการเจริญเติบโตหลักที่สามารถยับยั้งการแบ่งเซลล์ในพืชตัวอ่อน (พืชบก)
“เดลลาทำหน้าที่เหมือนลูกระนาด แต่ถ้าลูกระนาดนี้อยู่ตลอดเวลา พืชก็จะไม่สามารถเคลื่อนที่ได้” เดบาบราตา ลาฮา รองศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและผู้เขียนร่วมของงานวิจัยนี้อธิบาย ดังนั้น การย่อยสลายโปรตีนเดลลาจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช ในพืชดอก เดลลาจะสลายตัวเมื่อฮอร์โมนพืชจิบเบอเรลลิน (GA)จับกับตัวรับ GID1 ก่อตัวเป็นคอมเพล็กซ์ GA-GID1-DELLA จากนั้นโปรตีนรีเพรสเซอร์ DELLA จะจับกับสายยูบิควิตินและถูกย่อยสลายโดยโปรตีเอโซม 26S
ที่น่าสนใจคือ ไบรโอไฟต์เป็นหนึ่งในพืชกลุ่มแรกๆ ที่เข้ามาตั้งรกรากบนบกเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อน แม้ว่าไบรโอไฟต์จะผลิตฮอร์โมนพืชจิบเบอเรลลิน (GA) แต่ไบรโอไฟต์กลับไม่มีตัวรับ GID1 เรื่องนี้ทำให้เกิดคำถามว่า การเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืชบกยุคแรกๆ เหล่านี้ถูกควบคุมอย่างไร
นักวิจัยใช้ระบบ CRISPR-Cas9 เพื่อกำจัดยีน VIH ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งยืนยันบทบาทของ VIH พืชที่ขาดเอนไซม์ VIH จะแสดงข้อบกพร่องด้านการเจริญเติบโตและพัฒนาการอย่างรุนแรง รวมถึงความผิดปกติทางสัณฐานวิทยา เช่น แทลลัสหนาแน่น การเจริญเติบโตในแนวรัศมีบกพร่อง และการขาดกลีบเลี้ยง ข้อบกพร่องเหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยการดัดแปลงจีโนมของพืชให้ผลิตเอนไซม์ VIH เพียงปลายด้านเดียว (ปลาย N) ทีมวิจัยใช้เทคนิคโครมาโทกราฟีขั้นสูงเพื่อค้นพบว่าปลาย N มีโดเมนไคเนสที่กระตุ้นการผลิต InsP₈
นักวิจัยค้นพบว่า DELLA เป็นหนึ่งในเป้าหมายระดับเซลล์ของเอนไซม์ไคเนส VIH นอกจากนี้ พวกเขายังพบว่าฟีโนไทป์ของพืชที่ขาด MpVIH มีความคล้ายคลึงกับฟีโนไทป์ของพืชมิสแคนทัส มัลติฟอร์ม ที่มีการแสดงออกของ DELLA เพิ่มขึ้น
“ในขั้นตอนนี้ เรากระตือรือร้นที่จะตรวจสอบว่าเสถียรภาพหรือกิจกรรมของ DELLA ได้รับการส่งเสริมในพืชที่ขาด MpVIH หรือไม่” ปริยันชี รานา นักศึกษาปริญญาเอกในกลุ่มวิจัยของลาเฮย์และผู้เขียนคนแรกของงานวิจัยกล่าว สอดคล้องกับสมมติฐานของพวกเขา นักวิจัยพบว่าการยับยั้ง DELLA ช่วยฟื้นฟูข้อบกพร่องในการเจริญเติบโตและการพัฒนาในพืชกลายพันธุ์ MpVIH ได้อย่างมีนัยสำคัญ ผลการวิจัยเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่าเอนไซม์ไคเนส VIH ควบคุม DELLA ในทางลบ จึงส่งเสริมการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช
นักวิจัยได้ผสมผสานวิธีการทางพันธุกรรม ชีวเคมี และชีวฟิสิกส์เข้าด้วยกัน เพื่ออธิบายกลไกที่อิโนซิทอลไพโรฟอสเฟตควบคุมการแสดงออกของโปรตีน DELLA ในไบรโอไฟต์นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง InsP₈ ซึ่งผลิตโดย MpVIH จะจับกับโปรตีน MpDELLA ส่งเสริมการเกิดโพลียูบิควิทิเนชัน ซึ่งนำไปสู่การสลายตัวของโปรตีนรีเพรสเซอร์นี้โดยโปรตีเอโซม
การวิจัยเกี่ยวกับโปรตีนเดลลาเริ่มต้นขึ้นในยุคปฏิวัติเขียว เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ประโยชน์จากศักยภาพของโปรตีนชนิดนี้โดยไม่รู้ตัว เพื่อสร้างพันธุ์กึ่งแคระที่ให้ผลผลิตสูง แม้ว่ากลไกการออกฤทธิ์ของโปรตีนชนิดนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดในขณะนั้น แต่เทคโนโลยีสมัยใหม่ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้การตัดแต่งยีนเพื่อควบคุมการทำงานของโปรตีนชนิดนี้ได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มผลผลิตพืชผลได้อย่างมีประสิทธิภาพ
“ด้วยการเติบโตของประชากรและพื้นที่เพาะปลูกที่ลดลง การเพิ่มผลผลิตพืชผลจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง” ราฮากล่าว เนื่องจากการสลายตัวของ DELLA ที่ควบคุมโดย InsP₈ สามารถแพร่หลายในพืชระยะตัวอ่อน การค้นพบนี้อาจปูทางไปสู่การพัฒนาพืชรุ่นใหม่ที่ให้ผลผลิตสูง