Việc ứng dụng công nghệ protein để phân tích cây trồng đã phát triển nhanh chóng trong vài thập kỷ qua. Mặc dù các kỹ thuật của công nghệ protein thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm cơ bản nhưng vẫn còn nhiều tiềm năng ứng dụng trong việc nghiên cứu tính trạng hoặc đặc điểm di truyền của các loại cây trồng, đặc biệt là ở cây lương thực. Ước tính có khoảng một nửa lượng calo tiêu thụ trên toàn thế giới được cung cấp bởi các loại cây lương thực như gạo, lúa mì và bắp. Tuy nhiên hiện nay việc sản xuất các loại cây này bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi các loại stress phi sinh học như hạn hán, biến đổi khí hậu và xâm nhập mặn. Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng sự sụt giảm 50-70% sản lượng cây lương thực là do stress phi sinh học (Mittler, 2006). Do đó, để đảm bảo sự an toàn sản xuất lương thực toàn cầu, cần thiết phải sản xuất các giống cây lương thực bền vững có thể thích nghi với biến đổi khí hậu và phát triển một loạt các cây lương thực mang tính chống chịu các loại stress phi sinh học.

Công nghệ protein đã được sử dụng thành công để nghiên cứu phản ứng stress phi sinh học trong một loạt các loại cây trồng, đặc biệt là lúa gạo và ngô. Nhìn chung, các phát hiện dựa trên công nghệ protein trên đối tượng lúa gạo có thể được ứng dụng trong việc cải tiến các giống cây trồng khác chống lại các yếu tố môi trường luôn thay đổi. Trong những năm gần đây, công nghệ protein ứng dụng trong cải tiến chất lượng cây trồng thường được tập trung vào hai khía cạnh: xác định các protein liên quan đến tính chống chịu và phân tích các biến đổi sau dịch mã của protein.

Xác định các protein liên quan đến tính chống chịu

Hiểu được tế bào thực vật cảm nhận và ứng phó với stress phi sinh học không chỉ là nền tảng cho sự hiểu biết của chúng ta đối với khả năng chống chịu stress mà còn có tiềm năng mang lại các phương pháp mới để cải thiện năng suất cây trồng. Công nghệ protein tế bào đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định các chức năng của protein trong tế bào và các cơ chế nằm liên quan đến các protein này.

Hiện nay, rất nhiều phân tích protein của cơ quan tế bào về stress phi sinh học ở cây trồng đã góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế phản ứng của cây trồng đối với stress phi sinh học. Rõ ràng, các đáp ứng cụ thể của protein đối với stress phi sinh họclà khác nhau đối với từng mô trong một cá thể cây. Do đó, phản ứng với stress ở cây trồng nên được phân tích ở cấp độ tế bào hoặc dưới tế bào, kết hợp với các nghiên cứu trên toàn bộ cây, các cơ quan hoặc các mô, để phân biệt các phản ứng cụ thể của các loại tế bào với stress phi sinh học.

Các phương pháp mới phát triển cho phép phân tích bộ protein ở mức độ chi tiết hơn. Những nghiên cứu này không chỉ làm rõ hơn hoạt động chuyên biệt của một số loại tế bào, chúng cũng minh hoạ rằng thông tin về mức độ proteome và phản ứng thu được từ toàn bộ cây hoặc các cơ quan có thể chưa được đánh giá đúng. Điều này chắc chắn sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về quá trình thích nghi và đáp ứng với stress của cây trồng.

Ngoài ra, cần tăng cường các nghiên cứu về đáp ứng với stress ở giai đoạn sớm của cây trồng. Phản ứng stress ở thực vật bao gồm nhiều giai đoạn, bao gồm giai đoạn gây sốc ban đầu, giai đoạn thích nghi, giai đoạn duy trì, giai đoạn thoái hóa và/hoặc giai đoạn phục hồi (Kosová và cộng sự, 2011). Mỗi giai đoạn của phản ứng stress được đặc trưng bởi sự thay đổi proteome và chuyển hóa. Hiện tại, sự thay đổi proteome ở cây trồng thường được phân tích sau vài giờ, thậm chí vài ngày sau khi bắt đầu căng thẳng. Vì vậy, sự thay đổi proteome ban đầu của cây trồng trong stress phi sinh học nên được phân tích sâu hơn. Những nghiên cứu này sẽ cung cấp những hiểu biết quan trọng trong khai thác các tín hiệu kích hoạt ngay lập tức trong cây trồng để đáp ứng với stress phi sinh học. Các phương pháp tiếp cận bằng công nghệ protein có khả năng xác định các protein nhạy cảm có mức độ biểu hiện thấp (đặc biệt là các yếu tố phiên mã và các protein điều tiết) tham gia vào phản ứng stress ban đầu trong cây trồng.

Phân tích các biến đổi sau dịch mã (PTM) của protein

Các biến đổi sau dịch mã (PTM) có thể ảnh hưởng đến chức năng của protein, tương tác của protein với các protein khác và sự ổn định. Trong nghiên cứu stress ở cây trồng, việc xác định và định lượng PTM sẽ góp phần mô tả chi tiết chức năng của một protein và có thể sẽ giúp chúng ta hiểu được sự thích nghi của cây trồng với stress.

Các nghiên cứu về protein quy mô lớn đã cho thấy PTM phổ biến rộng rãi hơn so với ước tính trước đây. Cụ thể, có tới hai phần ba các protein chuyển hóa trong nấm men có thể bị ảnh hưởng bởi sự phosphoryl hóa protein (Breitkreutz và cộng sự, 2010). Ở thực vật, PTM bao gồm sự phosphoryl hóa (Vialaret và cộng sự, 2014), sự glycosyl hóa (Zielinska và cộng sự, 2012), ubiquitin hóa (Kim và cộng sự, 2013), methionine oxy hóa (Marondedze và cộng sự, 2013), S-nitrosyl hóa (Fares và cộng sự, 2011) và acetyl hóa (Finkemeier và cộng sự, 2011).

Hiện nay, số lượng nghiên cứu về công nghệ protein được thực hiện để mô tả các PTM ở cây lương thực dưới áp lực stress phi sinh học vẫn còn hạn chế. Một số nghiên cứu đáng chú ý như sự phosphoryl hoá trong điều kiện stress mặn và ngập nước ở ngô (Zörb và cộng sự, 2010; Hu và cộng sự, 2013) và đặc trưng của quá trình glycosyl hóa protein trong rễ đậu nành bị ngập nước (Mustafa và Komatsu, 2014).

Người ta cho rằng trong một số trường hợp, PTM đóng một vai trò quan trọng hơn so với sự thay đổi số lượng protein. Vì vậy, việc phân tích PTM của protein chống chịu stress trong cây trồng cần được tăng cường; tuy nhiên khả năng xác định và định lượng PTM là thách thức lớn trong lĩnh vực công nghệ protein. Tuy nhiên, cùng với việc cải tiến phương pháp tiếp cận, người ta hy vọng rằng nghiên cứu PTM sẽ trở nên phổ biến hơn trong lĩnh vực nghiên cứu cây trồng chống chịu stress trong tương lai.

Tiềm năng ứng dụng của công nghệ protein trong tương lai

Công nghệ protein đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ chúng ta hiểu rõ ở mức độ phân tử của cách thức cây trồng phản ứng với stress phi sinh học. Sự phân tích sâu về proteome của phản ứng stress sẽ là điều cần thiết cho sự cải tiến cây trồng trong tương lai. Mặc dù các đặc trưng của công nghệ protein trong việc nghiên cứu các đáp ứng stress cụ thể, protein chịu stress và PTM vẫn còn nhiều khó khăn đối với đối tượng cây trồng, việc phát triển các phương pháp nhạy cảm hơn, đặc biệt đối với việc phân tích tế bào cụ thể của proteome sẽ rất quan trọng để hiểu phản ứng stress ở cấp độ tế bào. Ngoài ra, những tiến bộ nhanh chóng của công nghệ omics (ví dụ như proteomic, transcriptomic, genomic và metabolomic) sẽ giúp chúng ta có thể sử dụng cách tiếp cận sinh học hệ thống để hiểu được các phản ứng của cây trồng đối với các stress phi sinh học.