นักวิจัยค้นพบกลไกการควบคุมโปรตีน DELLA ในพืช

นักวิจัยจากภาควิชาชีวเคมี สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งอินเดีย (IISc) ได้ค้นพบกลไกที่รอคอยมานานซึ่งพืชบกดั้งเดิม เช่น ไบรโอไฟต์ (รวมถึงมอสและลิเวอร์เวิร์ต) ใช้ในการ...ควบคุมการเจริญเติบโตของพืช– ซึ่งเป็นกลไกที่ได้รับการอนุรักษ์ไว้ในพืชดอกที่วิวัฒนาการขึ้นมาในยุคหลังๆ ด้วยเช่นกัน

งานวิจัยชิ้นนี้ซึ่งตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemical Biology มุ่งเน้นไปที่การควบคุมแบบไม่คลาสสิกของโปรตีน DELLA ซึ่งเป็นตัวควบคุมการเจริญเติบโตหลักที่สามารถยับยั้งการแบ่งเซลล์ในต้นอ่อน (พืชบก)
“DELLA ทำหน้าที่เหมือนเนินชะลอความเร็ว แต่ถ้าเนินชะลอความเร็วนี้อยู่ตลอดเวลา พืชก็จะไม่สามารถเจริญเติบโตได้” เดบาบราตา ลาฮา รองศาสตราจารย์ด้านชีวเคมีและผู้ร่วมเขียนงานวิจัยกล่าวอธิบาย ดังนั้น การสลายตัวของโปรตีน DELLA จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการส่งเสริมการเจริญเติบโตของพืช ในพืชดอก DELLA จะถูกสลายตัวเมื่อฮอร์โมนพืช...จิบเบอเรลลิน (GA)โปรตีน DELLA จับกับตัวรับ GID1 ก่อให้เกิดสารเชิงซ้อน GA-GID1-DELLA จากนั้น โปรตีน DELLA ซึ่งเป็นโปรตีนยับยั้ง จะจับกับสายยูบิควิตินและถูกย่อยสลายโดยโปรตีเอโซม 26S
ที่น่าสนใจคือ มอสและไลเคนเป็นหนึ่งในพืชกลุ่มแรกๆ ที่เข้ามาอาศัยอยู่บนบกเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อน แม้ว่าพวกมันจะผลิตฮอร์โมนพืชจิบเบอเรลลิน (GA) แต่พวกมันกลับขาดตัวรับ GID1 จึงเกิดคำถามขึ้นว่า การเจริญเติบโตและพัฒนาการของพืชบกยุคแรกๆ เหล่านี้ถูกควบคุมอย่างไร?
นักวิจัยใช้ระบบ CRISPR-Cas9 ในการกำจัดยีน VIH ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเป็นการยืนยันบทบาทของ VIH พืชที่ขาดเอนไซม์ VIH ที่ทำงานได้จะแสดงความผิดปกติในการเจริญเติบโตและการพัฒนาอย่างรุนแรง รวมถึงความผิดปกติทางสัณฐานวิทยา เช่น เนื้อเยื่อลำต้นหนาแน่น การเจริญเติบโตในแนวรัศมีบกพร่อง และขาดกลีบเลี้ยง ความผิดปกติเหล่านี้ได้รับการแก้ไขโดยการปรับเปลี่ยนจีโนมของพืชให้ผลิตเฉพาะปลายด้านเดียว (ปลายด้าน N) ของเอนไซม์ VIH เท่านั้น โดยใช้เทคนิคโครมาโทกราฟีขั้นสูง ทีมวิจัยค้นพบว่าปลายด้าน N มีโดเมนไคเนสที่เร่งปฏิกิริยาการผลิต InsP₈
นักวิจัยค้นพบว่า DELLA เป็นหนึ่งในเป้าหมายระดับเซลล์ของเอนไซม์ไคเนส VIH นอกจากนี้ พวกเขายังสังเกตว่าลักษณะทางฟีโนไทป์ของพืชที่ขาด MpVIH นั้นคล้ายคลึงกับพืช Miscanthus multiforme ที่มีการแสดงออกของ DELLA เพิ่มขึ้น
“ในขั้นตอนนี้ เราต้องการตรวจสอบว่าความเสถียรหรือกิจกรรมของ DELLA เพิ่มขึ้นในพืชที่ขาด MpVIH หรือไม่” ปริยันชี รานา นักศึกษาปริญญาเอกในกลุ่มวิจัยของลาเฮย์และผู้เขียนหลักของบทความกล่าว สอดคล้องกับสมมติฐานของพวกเขา นักวิจัยพบว่าการยับยั้ง DELLA ช่วยฟื้นฟูความบกพร่องในการเจริญเติบโตและการพัฒนาในพืชกลายพันธุ์ MpVIH ได้อย่างมีนัยสำคัญ ผลการค้นพบเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่า VIH kinase ควบคุม DELLA ในเชิงลบ จึงส่งเสริมการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช
นักวิจัยได้ผสมผสานวิธีการทางพันธุกรรม ชีวเคมี และชีวฟิสิกส์ เพื่ออธิบายกลไกที่อิโนซิทอลไพโรฟอสเฟตควบคุมการแสดงออกของโปรตีน DELLA ในมอสชนิดนี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง InsP₈ ที่ผลิตโดย MpVIH จะจับกับโปรตีน MpDELLA ส่งเสริมการเกิดโพลียูบิควิทิเนชัน ซึ่งนำไปสู่การย่อยสลายโปรตีนยับยั้งนี้โดยโปรตีเอโซม
การวิจัยเกี่ยวกับโปรตีน DELLA เริ่มต้นขึ้นตั้งแต่ยุคปฏิวัติเขียว เมื่อนักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ประโยชน์จากศักยภาพของโปรตีนนี้โดยไม่รู้ตัว เพื่อสร้างพันธุ์พืชเตี้ยที่ให้ผลผลิตสูง แม้ว่ากลไกการทำงานของมันจะยังไม่เป็นที่รู้จักในขณะนั้น แต่เทคโนโลยีสมัยใหม่ได้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้การแก้ไขยีนเพื่อควบคุมการทำงานของโปรตีนนี้ ซึ่งส่งผลให้ผลผลิตพืชเพิ่มขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพ
“ด้วยการเพิ่มขึ้นของประชากรและการลดลงของพื้นที่เพาะปลูก การเพิ่มผลผลิตทางการเกษตรจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง” ราฮา กล่าว เนื่องจากการย่อยสลาย DELLA ที่ควบคุมโดย InsP₈ สามารถเกิดขึ้นได้อย่างกว้างขวางในต้นอ่อน การค้นพบนี้จึงอาจปูทางไปสู่การพัฒนาพืชผลทางการเกษตรรุ่นใหม่ที่ให้ผลผลิตสูง