SỰ THAY đổi đáp ỨNG ĐỒNG HÓA CARBON TRONG QUANG hợp KHI THIẾU ALTERNATIVE OXIDASE AOX1A với sự GIA TĂNG NỒNG độ CO2 ở cây ARABIDOPSIS THALIANA

SỰ THAY ĐỔ I ĐÁ P Ứ NG ĐỒ NG HÓ A CARBON TRONG QUANG HỢ P KHI
THIẾ U ALTERNATIVE OXIDASE AOX1A VỚ I SỰ GIA TĂNG NỒ NG ĐỘ CO 2 Ơ
CÂY ARABIDOPSIS THALIANA

Anthony Gandin, Claire Duffes, David A. Day and Asaph B. Cousins

Tóm tắt
Ở thực vật bậc cao, chuỗi chuyền điện tử của ti thể (mETC) tồn tại con đường nonphosphorylating alternative, con đường này bao gồm cả alternative terminal oxidase
(AOX). Hoạt động của con đường xen kẽ này (alternative Pathway) đã được đề xuất là một
“bể” (act as a sink) để tiêu hao năng lượng dư thừa, làm giảm tối thiểu tác động của stress oxi
hóa và có thể làm tối ưu hóa quang hợp trong việc đáp ứng với các điều kiện sống thay đổi. Mơ
hình biểu hiện gen của các gen AOX trong những điều kiện khác nhau đã được mô tả rất rõ, đặc
biệt là trong việc đáp ứng với điều kiện stress ánh sáng và nhiệt độ. Thêm vào đó, chuỗi chuyền
điện tử của ti thể đã được đề xuất là có vai trò quan trọng để tránh trạng thái khử quá mức ở
lục lạp và làm cân bằng năng lượng giữa các ngăn thực hiện chức năng quang hợp, quang hô
hấp và hô hấp (avoiding chloroplast over-reduction and balancing energy partitioning among
photosynthesis, photorespiration and respiration). Tuy nhiên, vai trò trong việc tối ưu hóa sự
đồng hóa carbon trong quang hợp vẫn chưa được sáng tỏ. Vì vậy, sự đáp ứng trong quang hợp
khi con đường AOX bị gián đoạn đã được nghiên cứu trên đối tượng Arabidopsis thaliana với
đột biến T-DNA aox1a (T-DNA mutant aox1a) (SALK_084897). Phân tích trao đổi khí cho
thấy tỉ lệ đồng hóa CO2 thực (hay có tác giả dịch là “thuần”) (A) (net CO 2 assimilation rate) của
dạng đột biến aox1a thấp hơn so với dạng hoang dại (WT) trong điều kiện nồng độ CO 2 cao
(tức stress nồng độ CO2). Sự giảm của A đi kèm với sự giảm xuống của tỉ lệ chuyền điện tử tối
đa và hiệu suất lượng tử của PSII (maximum electron transport rate and quantum yield of PSII)
nhưng áp lực kích thích lên PSII và sự làm diệu khơng quang hóa (higher excitation pressure
on PSII and non-photochemical quenching) thì ở mức cao hơn. Đột biến aox1a cũng cho thấy tỉ
lệ tái tạo thấp của ribulose 1,5-bisphosphate và lượng ribulose 1,5-bis-phosphate hiện diện
cũng thấp hơn khi nồng độ CO 2 cao nên có sự giới hạn về lượng ATP trong chu trình Calvin–
Benson. Ngoài ra, hoạt động của malate–oxaloacetate shuttle (hoạt động chuyển đổi malate
thành oxaloacetate) cũng thấp hơn ở dạng đột biến so với dạng WT. Những kết quả này chứng
1

tỏ rằng AOX có vai trị quan trọng trong việc tối ưu hóa tỉ lệ đồng hóa carbon trong quang hợp
khi đáp ứng với sự gia tăng nồng độ CO 2 thông qua hoạt động làm cân bằng tỉ lệ
NAD(P)H/ATP và tỉ lệ tái tạo ribulose 1,5-bisphosphate trong lục lạp.

1. Giới thiệu
mETC bao gồm bốn phức hợp protein lớn: (i) bơm proton NADH dehydrogenase (phức hợp
I), (ii) succinate dehydrogenase (phức hợp II), (iii) Cytbc complex (phức hợp III) and a Cytc
oxidase (phức hợp IV). Kết quả của dòng electron đi qua phức hợp I, III và IV là sự hình thành
khuynh độ điện hóa proton xuyên màng (electrochemical proton gradient across the inner
mitochondrial membrane). Điều này kích hoạt phức hợp ATP-synthase (complex V) chuyển
ADP thành ATP. Bên cạnh chuỗi chuyền điện tử của ti thể “cổ điển” này (classis mETC), ti thể
thực vật còn sỡ hữu vài con đường non-phosphorylating (có thể hiểu đây là những con đường
khơng có sự tạo nên ATP), bao gồm: alternative terminal oxidase (AOX; Finnegan et al. 2004,
McDonald 2008), type-II NAD(P)H dehydrogenases [NAD(P)H-DHs; Rasmusson et al. 2004]
và uncoupling protein (UCP; Picault et al. 2004) [(uncoupling protein là một protein thuộc
màng trong ti thể, protein này có thể phá hủy khuynh độ proton trước khi nó cung cấp năng
lượng cho sự phosphoryl hóa oxi hóa (oxidative phosphorylation)]. AOX không nhạy với
cyanide (chất cảng hô hấp do ức chế phức hợp Cytc oxidase-phức hợp IV) sẽ oxi hóa ubiquinol
và khử oxygen thành nước mà khơng chuyển proton xuyên màng (nên không tạo khuynh độ
proton xuyên màng ). Con đường xen kẽ này không qua phức hợp chuyển proton III, IV và oxi
hóa NAD(P)H với các mức độ bảo tồn năng lượng khác nhau (varying levels of energy
conservation) và sự chuyển electron này (tức chuyển vào chất nhận là oxygen) giúp duy trì
trạng thái cân bằng năng lượng của tế bào. Ở Arabidopsis có năm gen mã hóa cho AOX đã
được xác định là: AOX1a – d và AOX2. Sự biểu hiện của họ gen AOX thể hiện trong mô xác
định và ở các giai đoạn phát triển cụ thể (Thirkettle-Watts et al. 2003). Thêm vào đó, sự biểu
hiện của các gen AOX và một vài thành phần xen kẽ trong hô hấp (alternative respiratory
components) (tức protein AOX nó nằm xen vào màng trong ti thể và cũng xen giữa các phức
hợp tham gia chuyển electron trên màng trong ti thể - hình minh họa trong powerpoint) được

tăng cường khi có điều kiện stress (Clifton et al. 2005). Ví dụ, Clifton et al. (2005) đã chứng
minh sự đồng biểu hiện của AOX (AOX1a) và những thành phần khác của alternative
pathways, như là các gen NAD(P)H-DH (NDB2) trong các điều kiện stress khác nhau, điều này
2


cho thấy những thành phần này có thể là thành phần tham gia hình thành non-phosphorylating
pathway của NAD(P)H oxidation để giảm tối thiểu tác dụng của stress oxi hóa. Thêm vào đó,
“năng suất”, sự hoạt động và biểu hiện của AOX (AOX capacity, activity and expression) đã
được thể hiện ở vài loài khác khi được cảm ứng bỡi phần lớn các tress phi sinh học như lạnh
(Armstrong et al. 2008, Watanabe et al. 2008), hạn hán (Bartoli et al. 2005, Giraud et al. 2008),
giới hạn về nitrogen và phosphate (Gonza`Lez-Meler et al. 2001, Sieger et al. 2005, Escobar et
al. 2006) và điều kiện stress cảm ứng với các dạng oxy hoạt tính (reactive oxygen speciesinducing stress conditions) (Maxwell et al. 1999), cho thấy vai trò quan trọng của AOX trong
việc tối ưu hóa sự trao đổ chất ở lá khi các điều kiện môi trường thay đổi. Gần đây hơn, người
ta đã chỉ ra rằng sự biểu hiện profile của gen AOX cũng như hàm lượng và hoạt động của AOX
đã thể hiện sự đáp ứng mạnh mẽ với điều kiện cường độ ánh sáng cao, cho thấy rằng nó có
chức năng liện kết với sự trao đổi chất ở lục lạp (chloroplast metabolism) (Ribas-Carbo et al.
2000, Yoshida and Noguchi 2009). Mơ hình biểu hiện của các gen AOX đã được miêu tả rất kỹ
trong các điều kiện sinh trưởng khác nhau, đặc biệt trong đáp ứng với stress ánh sáng và nhiệt
độ; tuy nhiên, vai trò của AOX trong việc duy trì hoạt động đồng hóa carbon trong quang hợp
vẫn chưa sáng tỏ (Vanlerberghe et al. 2009, Millar et al. 2011).
Ngồi vai trị cụ thể trong sự tỏa nhiệt (Wagner et al. 2008) và các vai trị chung góp phần
giúp mETC tránh trạng thái khử quá mức và sự hình thành các dạng oxi hoạt tính trong đáp
ứng với điều kiện stress lạnh (McIntosh et al. 1999, Umbach et al. 2005), AOX có thể giữ vai
trị oxi hóa các carbohydrates dư thừa (Lambers 1982, Gandin et al. 2009). Hơn nữa, AOX còn
giúp tránh được sự thiết hụt adenylate (muối của andenylic acid) cho q trình hơ hấp trong
điều kiện có sự giới hạn về phosphate (Parsons et al. 1999) và làm giảm lượng chất khử dư
thừa trong điều kiện thiếu hụt nitrate (Escobar et al. 2006). Các đột biến về chức năng hô hấp
và sử dụng các chất ức chế trong protoplasts đã chứng minh được chức năng “đầy đủ” của
mETC thì cần thiết cho việc duy trì quá trình trao đổi chất khác như quang hợp (Padmasree et

al. 2002). Bên cạnh đó, alternative pathways of mETC [AOX, NAD(P)H-DH or UCP] oxi hóa
lượng chất chử dư thừa được tạo ra do q trình quang hợp hay sự oxi hóa glycine của quang
hô hấp (photorespiratory glycine oxidation) (Svensson and Rasmusson 2001, Sweetlove et al.
2006). Ngoài ra, sự tương tác của mETC với hoạt động biến dưỡng của quang hợp và quang hô
hấp thông qua việc tạo ra ATP cần cho sự tạo ra sucrose cũng đã được đề nghị (Kro ¨mer et al.
1993). Vai trò của ti thể trong việc duy trì trạng thái cân bằng oxi hóa khử của tế bào đã được
3


chứng minh qua các nghiên cứu có sử dụng chất ức chế hô hấp (Zhang et al. 1996) hay đột
biến phức hợp I (Zhang et al. 1996) đã cho thấy hoạt động điển hình của mETC đã có sự biến
đổi. Tương tác giữa ti thể và lục lạp giúp tránh khỏi hiện tượng khử quá mức và duy trì sự cân
bằng năng lượng giữa các ngăn thực hiện chức năng quang hợp, quang hô hấp và hô hấp khi
đáp ứng với điều kiện gia tăng ánh sáng (Florez-Sarasa et al. 2011, Yoshida et al. 2011a), lạnh
(Fiorani et al. 2005) hay khô hạn (Giraud et al. 2008). Tuy nhiên những bằng chứng cho khía
cạnh này vẫn cịn rất hiếm hoi (Noguchi and Yoshida 2008). Ở đây, chúng tôi nghiên cứu về sự
đáp ứng đồng hóa carbon trong quang hợp ở những cây đột biến aox1a (SALK_084897) TDNA đã được mô tả trước đây (Giraud et al. 2008, Watanabe et al. 2008, Yoshida et al. 2011a).
[nguyên văn: “Here we investigate the response of photosynthetic carbon metabolism in the
previously characterized aox1a (SALK_084897) T-DNA plants (Giraud et al. 2008, Watanabe
et al. 2008, Yoshida et al. 2011a)”]. Đồng thời, tiến hành đo sự trao đổi khí, đo sự phát huỳnh
quang của diệp lục tố a và sử dụng các phân tích sinh hóa và phân tích biến dưỡng để làm rõ
ảnh hưởng của sự thiếu AOX1A lên quang hợp và tương tác ti thể - lục lạp. Ngoài ra, sự khác
biệt về nhiệt độ và nồng độ oxy cũng được nghiên cứu để xác định vai trò của AOX1A trong sự
cân bằng năng lượng giữa quang hợp và quang hô hấp. Chúng tôi đã chứng minh được thành
phần này của mETC (tức AOX1A) đã góp phần duy trì sự tối ưu của tỉ lệ đồng hóa CO 2 trong
quang hợp dưới điều kiện nồng độ CO2 cao.

2. Kết quả
Thông số tăng trưởng (Growth parameters)
Tổng sinh khối chồi giữa hai dạng đột biến (aox1a) và hoang dại (WT) khơng có sự khác

biệt có ý nghĩa trong điều kiện tăng trưởng chúng tơi thí nghiệm (Bảng 1). Bên cạnh đó, diện
tích lá, kích thước rosette (sự sắp xếp theo kiểu vòng tròn của lá), số lượng lá và SLA (specific
leaf area) thì khơng có sự khác biệt có ý nghĩa (Bảng 1). Tuy nhiên tỉ lệ C/N ở dạng đột biến
aox1a thì cao hơn so với dạng WT.

4


Đồng hóa carbon và hiệu suất quang hóa (Carbon assimilation and photochemical
efficiency)
Đo đạt sự đáp ứng của quang hợp đối với nồng độ CO 2 cao đã được tiến hành trong ba điều
kiện áp suất riêng phần khác nhau của O 2 (46, 184 và 368 mbar pO2) tương ứng với ba mức
nhiệt độ khác nhau (15, 25 và 35 0C) (Fig. 1). Ở nồng độ CO 2 thấp, sự đáp ứng của tỉ lệ quang
hợp thuần (net assimilation rate) (A) với nồng độ CO 2 nội bào (Ci) thì khơng có sự khác biệt
giữa dạng đột biến và dạng WT dù ở bất kì điều kiện áp suất riêng phần nào của O 2 hay ở bất
kỳ nhiệt độ nào. Tuy nhiên, ở điều kiện nồng độ CO 2 cao và áp suất 368 and 184 mbar pO2, thì
A của dạng đột biến (ĐB) thấp hơn dạng WT ở điều kiện 25 và 35 0C nhưng ở 150C thì không
(Fig. 1). Ở điều kiện nồng độ CO 2 cao, áp suất 46 mbar pO2 và 25 0C, A của dạng ĐB cũng thấp
hơn dạng WT (Fig. 1F) nhưng ở 15 và 350C thì khơng (Fig. 1C, I). Thêm vào đó, A của dạng
đột biến thường thấp ở điều kiện nồng độ CO 2 cao so với Mơ hình A đã được nghiên cứu ở
điều kiện pO2 và nhiệt độ nêu trên (tức là mơ hình nghiên cứu của một nhóm các nhà khoa học
đã đưa ra trước đó). Sự ức chế tỉ lệ đồng hóa CO 2 thực (net CO2 assimilation rate, ∆A) ở 250C
của dạng ĐB diễn ra mạnh hơn ở 35 0C so với dạng WT (Fig. 2). Ở 15 0C khơng có sự khác biệt
có ý nghĩa về sự ức chế ∆A ở dạng ĐB. A của dạng ĐB không bị ảnh hưởng bỡi pO2 ở 25 và
350C (Fig. 2). Hơn nữa, độ dẫn khí khẩu (gs) trong điều kiện nồng độ cao CO 2 ở nhiệt độ 350C
thì cao hơn hẳn ở 15 và 25 0C; tuy nhiên, gs ở hai dạng ĐB và WT thì tương tự nhau dù ở điều
kiện pO2 hay nhiệt độ nào (Bảng 2) (điều này cho thấy độ dẫn khí khẩu trong trường hợp này
khơng ảnh hưởng đến tỉ lệ đồng hóa CO2 thực ).

5

Hình 1. Net CO2 assimilation rate (A) as a function of intercellular CO 2 concentration (Ci) in
wild-type (filled circles) and aox1a (open squares) Arabidopsis thalianameasured at 35 0C (A–
C), 250C (D–F) and 150C (G–I) and at an oxygen partial pressure of 368 (A, D, G), 184 (B, E,
H) and 46 mbar (C, F, I). The modeled response of A to C i (dashed line) was estimated
according to von Caemmerer (2000) with a V cmax of 81 mmol m–2s–1, Jmax of 138 mmol m–2s–1
and day respiration (Rd) of 1,2 mmol m–2s–1 at 250C and 184 mbar pO2. The temperature
dependency was calculated using the methods and kinetic constants developed by Bernacchi et
al. (2001). Shown are the means±SE of measurements made on 5–6 plants.
Tỷ lệ carboxyl hóa tối đa của Rubisco (the maximum Rubisco carboxylation rates) (V cmax)
được tính tốn từ đường cong tương quan A–C i (A–Ci curves) thì cao hơn khi nhiệt độ tăng và
pO2 giảm (Bảng 2). Ngược lại, tỉ lệ chuyển điện tử tối đa (the maximum electron transport rate)
(Jmax) và điểm bù CO2 (compensation point) (Γ) thì tăng tỉ lệ với nhiệt độ và pO 2 (Bảng 2). Vcmax
và Γ không khác biệt giữa dạng ĐB và WT dù ở nhiệt độ hay pO2 nào; tuy nhiên, Jmax thì thấp
hơn một cách có ý nghĩa giữa dạng ĐB so với WT trong tất cả các điều kiện khảo sát.
6


Ở dạng ĐB và WT, hiệu suất quang hóa của PSII (hay hiệu suất lượng tử; quantum yield of
PSII) (фPSII) đều tăng cùng với Ci khi Ci tăng đến khoảng 250 mbar nhưng ở nồng độ cao CO2
thì фPSII của dạng ĐB lại thấp hơn ở dạng WT (Fig. 3a). Áp lực kích thích lên PSII (1 – qP)
(excitation pressure on PSII) và sự làm diệu khơng quang hóa (non-photochemical quenching)
(NPQ) ở điều kiện nồng độ CO2 cao của dạng ĐB thì cao hơn so với dạng WT (Fig. 3b, c)
nhưng hiệu suất tối đa của PSII (Fv/Fm= 0.815±0.002) vẫn không đổi ở cả hai dạng ĐB và WT.
Thêm vào đó, sự hơ hấp trong tối (Rd) tăng tỉ lệ với nhiệt độ nhưng khơng có sự khác biệt có ý
nghĩa giữa hai dạng ĐB và WT (Fig. 4). Tuy nhiên, tỷ lệ carboxyl hóa (carboxylation rate) của
Rubisco (vc) và tỉ lệ tái tạo ribulose 1,5-bisphosphate (RuBP) (rate of ribulose 1,5-bisphosphate
regeneration)[ được ước lượng từ kết quả đo sự trao đổi khí (estimated from measurements of
gas exchange) và sự phát huỳnh quang của diệp lục tố a (Chla fluorescence)] ở dạng ĐB thì

thấp hơn ở nồng độ CO2 cao so với dạng WT và giá trị trong mơ hình của Caemmerer (modeled
values - modeling according to von Caemmerer, 2000) (Fig. 5).

Hình 2. Difference in net CO2 assimilation rate (∆A) measured at high CO2 concentration
between the WT and aox1a as a function of oxygen concentration and temperature. ∆A was
calculated as the mean of A in WT minus the mean of A in the mutant above 930 mbar CO 2.
Shown are the means ± SE of measurements made on 5–6 plants. Results of two-way ANOVA
are indicated as *P<0.05, **P<0.01, ***P<0.001.

7


Hình 3. Quantum yield efficiency of PSII (fPSII), excitation pressure on PSII (1 – qP) and nonphotochemical quenching (NPQ) in wild-type (filled circles) and aox1a (open squares) leaves
of Arabidopsis thaliana measured at 250C and 184 mbar pO2. Shown are the means±SE of
measurements made on six plants.

8


9


Hình 4. Dark respiration (Rd) in wild-type (dark) and aox1a (light gray) leaves of Arabidopsis
thaliana measured at 15, 25 and 35 0C, 353 mbar CO2 and 184 mbar pO2 . Shown are the means
± SE of measurements made on six plants.

Hình 5. Rubisco carboxylation rate (vc) and rate of ribulose 1,5-bisphosphate (RuBP)
regeneration as a function of intercellular CO 2 concentration (Ci) in wild-type (filled circles)
and aox1a (open squares) leaves of Arabidopsis thaliana measured at 25 0C and 184 mbar pO2.
The modeled rates of vc and RuBP regeneration (dotted lines) are also indicated. Shown are the

means ± SE of measurements made on 5–6 plants.

10


Mức độ trao đổi chất ở lá trong điều kiện nồng độ CO 2 cao (Metabolite levels in leaves
under high CO2 conditions)
Các chất chuyển hóa (Metabolites) trong lá được định lượng ở các điều kiện 1,860 mbar
CO2, cường độ ánh sáng 1.000 mmol m -2s-1, 250C và 184 mbar pO2. Lượng phosphoglycerate
(PGA) thì cao hơn gấp 2 đến 3 lần lượng triose phosphate (TP) và RuBP (Fig. 6). Trong những
điều kiện trên, lượng PAG khơng có sự khác biệt có ý nghĩa giữa hai dạng ĐB và WT trong khi
lượng TP và RuBP ở dạng ĐB lại giảm tương ứng là 67% và 57% so với dạng WT . thêm vào
đó, tỉ lệ RuBP/PGA ở dạng ĐB có sự thấp hơn có ý nghĩa so với dạng WT (Fig. 6). Mức độ của
pyruvate (Pyr) và oxaloacetate (OAA) ở dạng ĐB lại cao hơn so với dạng WT, nhưng lượng
phosphoenolpyruvate (PEP) thì khơng có sự khác biệt có ý nghĩa giữa hai dạng (Fig. 6).

Hình 6. Quantification of metabolites in wild-type (dark) and aox1a (light gray) leaves of
Arabidopsis thaliana harvested at 1.860 mbar CO2, 250C and 184 mbar pO2 using a rapidkill
system (see the Materials and Methods). Shown are the means ± SE of measurements made on
seven plants. An asterisk denotes a significant difference for P<0,05.
Hoạt động chuyển đổi Malate (mal) – OAA trong điều kiện nồng độ CO 2 cao (Malate
(Mal)–OAA shuttle activity under high CO2conditions)
Sự hoạt động của NADH- và NADPH-phụ thuộc malate dehydrogenases (MDHs) [NADHand NADPH-dependent malate dehydrogenases (MDHs)] đo được trong lá ở điều kiện 1.860
mbar CO2, cường độ ánh sáng 1.000 mmol m-2s-1, 250C và 184 mbar pO2. Trong những điều
kiện này, hoạt động của NADPH-MDH thấp hơn 38 lần so với hoạt động của NADH-MDH
(Bảng 3). Thêm vào đó, sự hoạt động của NADH-MDH ở dạng ĐB thì thấp hơn một cách có ý
11


nghĩa so với dạng WT. Hoạt động của NADPH-MDH ban đầu ở dạng ĐB có xu hướng thấp

hơn (P= 0.062), trong khi mức hoạt động tối đa [sau khi xử lý dithiothreitol (DTT)] thì đều
khơng có sự khác nhau ở hai dạng ĐB và WT. Hơn nữa, ở dạng WT, lượng NADPH-MDH
được hoạt hóa gần như hồn tồn (98.8%) so với sự sinh trưởng trong điều kiện ánh sáng bình
thường chỉ 55.6% (data not shown), nhưng trạng thái hoạt hóa của NADPH-MDH ở dạng ĐB
bị giảm so với dạng WT (Table 3).

3. Thảo luận
Đặc điểm của dạng ĐB aox1a (Characterization of theaox1amutant)
Trong nghiên cứu này chúng tôi nghiên cứu sự liên kết giữa alternative pathway của mETC
(AOX) và hiệu suất quang hợp (photosynthetic performance), sử dụng đột biến aox1a T-DNAt.
Các hạt của dòng Arabidopsis mang T-DNA thiếu AOX1a được sử dụng trong thí nghiệm của
chúng tơi (SALK_084897) thì được thu hoạch từ những cây Arabidopsis đã được mô tả trước
đây bỡi Giraud et al. (2008). Dòng Arabidopsis tương tự này cũng được mô tả kỹ trong tài liệu
(Watanabe et al. 2008, Yoshida et al. 2011a) và đã được chứng minh là ở dạng ĐB này protein
AOX không hề hiện diện. Tương tự, chúng tôi cũng không hề phát hiện sự tồn tại của protein
AOX trong dạng ĐB này bằng phương pháp Western blotting (results not shown). Dòng A.
thaliana này cũng đã được chứng minh là có sự đáp ứng tương tự như dòng SAIL_030_D08
với điều kiện stress ánh sáng và khô hạn (Giraud et al. 2008). Trong điều kiện (23/18 0C
ngày/đêm, độ ẩm tương đối 75% và cường độ ánh sáng 300 mmol m –2s–1 với chu kỳ sáng là 10
giờ), thiếu AOX1a thì khơng có sự ảnh hưởng lên sự sinh trưởng hay hình thái của cây. Các kết
quả tương tự cũng thu được từ nghiên cứu trên sự sinh trưởng trong điều kiện không stress của
dạng đột biến aox1a (Fiorani et al. 2005, Watanabe et al. 2008, Strodtko ¨tter et al. 2009), trái
lại, dạng đột biến aox1a này thể hiện sự biến đổi khi đặt trong điều kiện stress (Giraud et al.
12


2008), điều này chứng tỏ rằng AOX1a hoạt động chủ yếu trong việc đáp ứng lại với stress
(Yoshida and Nogushi, 2011).
Thiếu AOX1a làm thay đổi sự đồng hóa carbon trong quang hợp (Lack of AOX1a alters
photosynthetic carbon metabolism)

Đường cong A–Ci (the A–Ci curves) cho thấy A của dạng ĐB (aox1a) đo ở 25 và 35 0C thì
thấp hơn so với dạng WT trong điều kiện nồng độ cao CO 2 là điều kiện mà sự quang hợp
thường bị hạn chế do sự tái tạo RuBP (tức là trong điều kiện nồng độ cao CO 2 lượng RuBP
được tái tạo bị giảm ở dạng ĐB – phần kết quả có trình bày). Độ dẫn khí khẩu (Stomatal
conductance) ở điều kiện nồng độ cao CO2 thì khơng có sự khác biệt giữa hai dạng ĐB và WT,
điều này cho thấy sự giảm của quang hợp ở dạng ĐB thì khơng phải do độ dẫn khí khẩu gây ra.
Theo đó, Jmax thì thấp ở dạng ĐB nhưng Vcmax thì khơng khác biệt giữa hai dạng (Bảng 2). To
our knowledge, information regarding the response of A to CO 2 concentration and estimated
Jmax and Vcmax has not been reported for theaox1amutant. Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trước
đây về xử lý SHAM ở “tế bào thịt lá trần” cây đậu (tức là tế bào trần này là tế bào thịt lá của
cây đậu đã bị loại màng tạo thành tế bào trần) (SHAM-treated pea mesophyll protoplasts) đã
chỉ ra rằng chúng có tỷ lệ quang hợp thấp hơn (Padmasree et al. 2002). Điều này giúp khẳng
định vai trị của AOX trong việc duy trì các tỉ lệ trong quang hợp. Tuy nhiên, trong nghiên cứu
của tác giả Yoshida và cộng sự (2011), tỉ lệ quang hợp thuần (the net photosynthetic rate) của
dạng ĐB aox1a ở khoảng 2.000 mbar CO 2 thì tương tự với dạng WT. Sự khác nhau này có thể
được giải thích là do sự khác nhau trong điều kiện ánh sáng cho sự sinh trưởng giữa hai thí
nghiệm và tỉ lệ quang hợp thuần trong điều kiện nơng độ CO 2 cao thì thấp hơn nhiều trong
nghiên cứu của Yoshida (khoảng 10 mmol m –2s–1) so sánh với kết quả đo trong điều kiện 25
mmol m–2s–1 trong cùng điều kiện đo tương tự. Trong tài liệu trình bày ở đây, ở dạng ĐB,
13


фPSII thì thấp hơn dạng WT trong điều kiện nồng độ cao CO 2, trong khi Fv/Fm [hiệu suất tối
đa của PSII, (PSII maximum efficiency)] thì lại khơng thay đổi. Giraud et al. (2008) cũng mơ tả
có sự thay đổi của фPSII trong nghiệm thức xử lý dạng aox1a với điều kiện stress ánh sáng và
khô hạn so với dạng WT. Những dữ liệu này cho thấy rằng, trong những điều kiện cụ thể nào
đó, ví dụ như nồng độ CO2 cao, stress khơ hạn, thì chuỗi vận chuyển điện tử của lục lạp
(chloroplast electron transport chain) (cETC) bị ức chế khi “vắng mặt” AOX. Hơn nữa, 1 – qP
và NPQ gia tăng trong dạng ĐB aox1a ở điều kiện nồng độ CO 2 cao, điều này cho thấy rằng có
sự khử quá mức và sự sự sụt giảm năng suất của cETC c (over-reduction and decreased

capacity of the cETC). Những dữ liệu này cho thấy rằng sự thay đổi của alternative mETC
pathway trong dạng ĐB aox1a có ảnh hưởng đến hoạt động quang hóa ở lục lạp và tỉ lệ đồng
hóa CO2.
Sự carboxyl hóa của Rubisco và tỉ lệ tái tạo của RuBP của dạng ĐB, được ước lượng
(estimated) từ kết quả đo sự phát huỳnh quang và sự trao đổi khí theo Von Caemmerer (2000),
cả hai đều thấp trong điều kiện nồng độ CO 2 cao so với dạng WT. Thêm vào đó, kết quả đo sự
trao đổi chất đã được xác nhận rằng số lượng của RuBP và TP (là 2 sản phẩm phụ thuộc ATP) ở
dạng ĐB thì thấp hơn, trong khi số lượng của PGA (chất chuyển hóa khơng phụ thuộc ATP) thì
khơng có sự thay đổi (Fig. 6). Tỉ lệ RuBP/PGA thấp đưa đến nhận định rằng, hoạt động của chu
trình Calvin có sự giới hạn lớn về lượng RuBP ở dạng ĐB trong điều kiện nông độ CO 2 cao. Sự
giới hạn của RuBP có thể là kết quả từ sự giảm sút trong các hoạt động : cETC, bơm proton
qua màng thylakoid và sự tạo ra ATP.

14


Sự chuyển đổi Mal–OAA là mắc xích liên hệ giữa sự gián đoạn trong mETC với sự thay
đổi trong quang hợp (Mal–OAA shuttles link mETC disruption to photosynthesis alteration)
mETC đã được chứng minh là có vai trị quang trọng trong việc điều chỉnh sự cân bằng năng
lượng và cân bằng oxi hóa khử trong tế bào thực vật (Noctor and Foyer 1998, van Lis and
Atteia 2004, Gardestroăm et al. 2004, Noctor et al. 2007). Sự cân bằng này phần nào được đảm
bảo nhờ sự chuyển hóa Mal–OAA, là một trong những con đường làm giảm đương lượng khử
tương hỗ giữa lục lạp, cytosol và ti thể (Heldt 1992). Sự chuyển đổi tương hỗ này giúp cân
bằng tỉ lệ NADPH/ATP của lục lạp (Scheibe 2004) bằng cách tiêu thụ NADPH theo con đường
chuyển OAA thành Mal trong điều kiện ánh sáng mạnh (Noguchi and Yoshida 2008) và phóng
thích NADH vào cytosol thông qua sự tạo lại OAA trong cytoslo. Hơn nữa, mitochondrial
oxidative electron transport đã được cho là hoạt động như một bể luân chuyển electron để duy
trì sự chuyển đổi tói ưu lượng chất khử dư thừa ra khỏi lục lạp (Raghavendra et al. 2003,
Yoshida et al. 2007). Ví dụ, trạng thái khử cao của lục lạp đã được ghi nhận ở các dạng đột biến
về con đường biến dưỡng ở ti thể (mitochondrial metabolism) (Noctor et al. 2004, Sweetlove et

al. 2006, Giraud et al. 2008, Strodtkoătter et al. 2009, Yoshida et al. 2011b), điều này cho thấy
có sự có sự biến đổi trong khả năng “xuất ra” các chất khử dư thừa của lục lạp (tức chuyển chất
khử dư thừa vào cytosol để dùng cho hoạt động khác thông cua con đường chuyển hóa OAA
thành Mal). Trong dạng ĐB aox1a trạng thái khử của lục lạp và áp lực kích thích (excitation
pressure) đã được ghi nhận trong điều kiện nồng đơ CO 2 cao chính là yếu tố cần thiết để thúc
đẩy hoạt động chuyển đổi Mal–OAA (Mal–OAA shuttle) tăng lên so với dạng WT. Tuy nhiên,
sự hoạt động của NADH (mmol min–1cm–2) MDH và trạng thái hoạt hóa của NADPH MDH là
hai yếu tố chủ chốt của Mal–OAA shuttle, ở dạng ĐB thì thấp hơn so với dạng WT (Bảng 3).
Điều này cho thấy ở dạng ĐB, sự “xuất ra” lượng chất khử thấp hơn ở dạng WT. Điều này có
15


thể liên quan đến sự khử quá mức của cytoplasm do có sự giảm sút trong việc tiêu thụ chất khử
từ cytoplas là NADH của ti thể. Điều tương tự được Padmasree và Raghavendra (2001) chứng
minh là sự ức chế mitochondrial alternative pathway dẫn đến kết quả là có sự thay đổi trong sự
quang hoạt hóa các enzyme chìa khóa của lục lạp bao gồm cả NADPH-MDH, trong tế bào “thịt
lá trần” của cây đậu. Trong những cấy đột biến aox1a sự “vắng mặt” của AOX1a đã làm giảm
trạng thái hoạt động của NADPH-MDH bất kể trạng thái oxi hóa khử của lục lạp (Bảng 3).
Trạng thái hoạt hóa thấp trong dạng ĐB này được giải thích do có sự giới hạn trong sự tái tạo
OAA (cơ chất của NADPH-MDH) từ sự oxi hóa Malatedue, nguyên nhân là do năng suất của
alternative mETC để tiêu thụ chất khử từ cytoplasm thấp. điều này chứng minh rằng mETC thì
quan trọng trong việc điều hòa hoạt động của NADPH-MDH và trạng thái oxi hóa khử của lục
lạp trong điều kiện nơng độ CO2 cao.
Thêm vào đó, Padmasree et al. (2002) đã đề xuất rằng năng suất thấp của alternative mETC
làm chậm hoạt động “xuất ra” chất khử thông qua Mal–OAA shuttle của lục lạp, do đó, làm
tăng tỉ lệ NADPH/NADP trong lục lạp. Trong dạng ĐB aox1a, sự tăng NADPH/NADP trong
stroma sẽ làm giảm lượng ATP sẵn có khi ở điều kiện nồng độ CO 2 cao, dẫn đến sự mất cân
bằng giữa NADPH/ATP và giới hạn RuBP của quang hợp như kết quả đo sự trao đổi khí minh
họa trong Hình 5. Điều này cho thấy chuỗi chuyển điện tử vòng ở PSI (cyclic electron flow
around PSI), sự hô hấp ở lục lạp (chlororespiration) và water–water cycle, cũng đã được đề

nghị là góp phần tạo sự cân bằng NADPH/ATP trong lục lạp (Kramer and Evans 2011, Yoshida
et al. 2011b), thì khơng đủ để bù lại cho sự sự thiếu alternative mETC trong dạng đột biến
aox1a trong khi lượng ATP cần có phải cao trong điều kiện nồng độ CO 2 cao. Những dữ kiện
trên cho thấy, AOX thì rất cần thiết cho việc duy trì sự tói ưu trong đồng hóa CO 2 trong điều

16


kiện nồng độ CO2 cao thông qua hoạt động làm cân bằng tỉ lệ NADPH/ATP và tỉ lệ tái tạo
RuBP của lục lạp.

Tại sao alternative mETC lại quan trọng trong điều kiện nồng độ CO2 cao mà không phải
trong điều kiện CO2 trong mơi trường bình thường (Why is the alternative mETC important
at high and not ambient CO2?)
Mặc dù dạng đột biến aox1a không thể hiện rõ sự thay đổi trong quang hợp với nồng độ CO 2
trong môi trường (tức nồng độ CO2 trong mơi trường bình thường khơng stress nồng độ cao),
có hai giả thuyết có thể giải thích sự quang trọng của các thành phần thuộc alternative mETC ở
điều kiện nồng độ CO2 cao. Thứ nhất là, sự tăng nồng độ CO 2 sẽ làm giảm sự hoạt động của
Cyt oxidase và succinate dehydrogenase in vitro (Gonzalez-Meler et al. 1996), đây là hai thành
phần quan trọng của mETC cổ điển (tức chuỗi chuyền electron của ti thể qua các phức hợp I,
III, IV). Sự ức chế Cyt oxidase được bù lại bởi nhu cầu gia tăng sự hoạt động của alternative
pathways trong ti thể cô lập (Gonzalez-Meler and Siedow 1999). Mặc dù vẫn chưa thể khẳng
định cơ chế này có xảy ra trong mơ thực vật ngun vẹn (tức mô trong cây không bị cô lập ra
như khi dùng để nghiê cứu in vitro) hay không, cơ chế đáp ứng này có thể nêu cao tầm quan
trọng của AOX trong các mô thực hiện chức năng quang hợp khi nồng độ CO 2 tăng lên. Giả
thiết hứ hai là, quang hô hấp như một hệ thống tiêu hủy năng lượng. Thực vậy, chỉ có 30–50%
NADH được sản xuất bỡi hoạt động của hai enzyme glycine decarboxylase và serine
hydroxymethyltransferase [hai enzyme nói trên tham gia con đường tạo glicine là amino acid
được chuyển hóa từ serine nhờ, mà serine lại có nguồn gốc từ 3-phosphoglycerate (3PGA) là
chất đươc tạo ra trong chu trình Calvin ở quang hợp] thì được xuất ra từ ti thể đến peroxisome

để tham gia vào sự hoạt động của enzyme hydroxypyruvate reductase (Kromer 1995). Phần
17


NADH còn lại được cần cho hoạt động của enzyme hydroxypyruvate reductase thì có nguồn
gốc từ lục lạp. Trong điều kiện nồng độ CO 2 cao, sự hoạt động của quang hô hấp bị hạn chế và
hoạt động hô hấp của ti thể để giúp tiêu hủy năng lượng (dư thừa) từ lục lạp and cytosol.
Kết luận (conclusion)
Kết quả trình bày trong nghiên cứu này chứng minh vai trò quan trọng của AOX trong việc
duy trì sự tối ưu trong việ đồng hóa carbon trong điều kiện nồng độ CO 2 tăng cao. Sự gián đoạn
hoạt động của AOX1a là lí do hàng đầu dẫn đến sự tích tụ các chất khử và trạng thái khử quá
mức của cETC nồng độ CO2 cao. Sự mất đi “bể luân chuyển” (alternative sink) để tiêu hủy
chất khử dư thừa là lí do của sự giới hạn về lượng ATP trong hoạt động của chu trinhg Calvin,
sự tái tạo RuBP và sự thay đổi của tỉ lệ đồng hóa carbon. Tài liệ của chúng tơi chứng minh rằng
AOX1a thì quan trọng cho việc duy trì sự tối ưu của tỉ lệ NADPH/ATP của lục lạp và sự đáp
ứng trong quang hợp khi nồng độ CO2 tăng lên.

18