Hóa thực vật là gì? Các công bố khoa học về Hóa thực vật

Sinh khối lignocellulosic đã lâu được công nhận như một nguồn cung cấp đường hỗn hợp bền vững để lên men thành nhiên liệu sinh học và các vật liệu sinh học khác. Nhiều công nghệ đã được phát triển trong suốt 80 năm qua cho phép quá trình chuyển đổi này xảy ra, và mục tiêu rõ ràng hiện nay là làm cho quá trình này cạnh tranh về chi phí trong thị trường ngày nay. Ở đây, chúng tôi xem xét sự kháng tự nhiên của tường tế bào thực vật đối với sự phân hủy do vi sinh và enzym, được biết chung là “tính kháng sinh khối.” Chính đặc tính này của thực vật là nguyên nhân chủ yếu dẫn đến chi phí cao của việc chuyển đổi lignocellulose. Để đạt được sản xuất năng lượng bền vững, cần thiết sẽ phải vượt qua các tính chất hoá học và cấu trúc đã phát triển trong sinh khối để ngăn chặn sự tháo rời của nó.

Mặc dù bộ gen ti thể chứa nhiều vùng không mã hóa, nhưng có rất ít vùng được khai thác cho các nghiên cứu phát sinh loài giữa các loài khác nhau và địa lý phát sinh giữa các cá thể trong cùng một loài. Trong đánh giá gần đây của chúng tôi về khả năng phát sinh loài của 21 vùng không mã hóa của bộ gen ti thể, chúng tôi nhận thấy rằng các vùng không mã hóa được sử dụng rộng rãi nhất lại là những vùng ít biến đổi, trong khi các vùng có tính biến đổi cao hơn lại hiếm khi được sử dụng. Nghiên cứu đó đã dẫn chúng tôi đến kết luận rằng có thể có những vùng chưa được khám phá trong bộ gen ti thể có mức độ biến đổi tương đối cao hơn nữa. Để khám phá khả năng biến đổi của các vùng chưa được nghiên cứu trước đó, chúng tôi đã so sánh ba cặp chuỗi gen ti thể đơn bản trong ba nhánh thực vật một lá mầm khác nhau: Atropa vs. Nicotiana (asterid); Lotus vs. Medicago (rosid); và Saccharum vs. Oryza (monocot). Ba lần căn chỉnh chuỗi gen này đã làm nổi bật 13 điểm đột biến có thể biến đổi nhiều hơn những vùng tốt nhất trong nghiên cứu trước đó của chúng tôi. 13 vùng này đã được chọn để phân tích chi tiết hơn. Tại đây, chúng tôi chỉ ra rằng chín trong số những vùng mới được khám phá này (rpl32‐trnL^(UAG), trnQ^(UUG)‐5′rps16, 3′trnV^(UAC)‐ndhC, ndhF‐rpl32, psbD‐trnT^(GGU), psbJ‐petA, 3′rps16–5′trnK^(UUU), atpI‐atpH, và petL‐psbE) cung cấp mức độ biến đổi tốt hơn so với các vùng tốt nhất được xác định trong nghiên cứu trước của chúng tôi và do đó có khả năng là lựa chọn tốt nhất cho các nghiên cứu phân tử ở các cấp độ phân loại thấp hơn.

Một phương pháp mới được trình bày, trong đó sắc ký khí kết hợp với khối phổ (GC–MS) cho phép phát hiện định lượng và định tính hơn 150 hợp chất trong củ khoai tây, với độ nhạy và tính đặc trưng cao. Trái ngược với các phương pháp khác được phát triển để phân tích chuyển hóa trong hệ thống thực vật, phương pháp này đại diện cho một cách tiếp cận không thiên vị và mở để phát hiện những thay đổi bất ngờ trong mức độ chuyển hóa. Mặc dù phương pháp này là sự thỏa hiệp cho một loạt các chất chuyển hóa về mặt chiết xuất, biến đổi hóa học và phân tích GC–MS, nhưng đối với 25 hợp chất chuyển hóa được phân tích chi tiết, tỷ lệ thu hồi được tìm thấy nằm trong khoảng được chấp nhận chung là 70–140%. Hơn nữa, tính tái lập của phương pháp rất cao: sai số xảy ra trong các quy trình phân tích được tìm thấy là dưới 6% cho 30 trong số 33 hợp chất được thử nghiệm. Sự biến đổi sinh học vượt quá sai số hệ thống của phân tích với tỷ lệ lên đến 10 lần. Phương pháp này cũng phù hợp cho việc mở rộng quy mô, có khả năng cho phép phân tích đồng thời một số lượng lớn mẫu. Như một ví dụ đầu tiên, phương pháp này đã được áp dụng cho củ khoai tây trồng trong đất và in vitro. Do phân tích đồng thời một loạt các chất chuyển hóa, điều rõ ràng ngay lập tức là các hệ thống này khác biệt đáng kể về mặt chuyển hóa. Hơn nữa, việc nhận biết song song nhiều đường dẫn cho phép rút ra một số kết luận về sự khác biệt sinh lý cơ bản giữa hai hệ thống củ này. Như một ví dụ thứ hai, các dòng biến đổi gen được sửa đổi trong chuyển hóa sucrose hoặc tổng hợp tinh bột đã được phân tích. Ví dụ này minh họa sức mạnh của một cách tiếp cận không thiên vị trong việc phát hiện những thay đổi bất ngờ trong các dòng biến đổi gen.

Tóm tắt: Melatonin, hormone chính của tuyến tùng ở động vật có xương sống, được phân bố rộng rãi trong thế giới động vật. Giữa nhiều chức năng, melatonin đồng bộ hóa các nhịp sinh học ngày đêm và hàng năm, kích thích chức năng miễn dịch, có thể làm tăng tuổi thọ, ức chế sự phát triển của tế bào ung thư trong ống nghiệm và sự tiến triển cũng như thúc đẩy ung thư trong cơ thể sống, và gần đây đã được chứng minh là một chất quét gốc hydroxyl mạnh mẽ và chất chống oxy hóa. Các gốc hydroxyl là những sản phẩm độc hại cao của quá trình chuyển hóa oxy gây hại cho DNA tế bào và các đại phân tử khác. Trong nghiên cứu này, chúng tôi báo cáo rằng melatonin, ở nhiều nồng độ khác nhau, cũng được tìm thấy trong nhiều loại thực vật. Nồng độ melatonin, được đo trong chín loại thực vật khác nhau bằng phương pháp cố định miễn dịch phóng xạ, dao động từ 0 đến 862 pg melatonin/mg protein. Sự hiện diện của melatonin đã được xác minh bởi sắc ký khí/khối phổ. Các phát hiện của chúng tôi gợi ý rằng việc tiêu thụ các vật liệu thực vật chứa nồng độ melatonin cao có thể làm thay đổi mức melatonin trong máu của indole cũng như cung cấp bảo vệ cho các đại phân tử chống lại tổn thương oxy hóa.

Nhiều protein đã được xác định tích lũy trong thực vật nhằm đáp ứng với bất kỳ kích thích môi trường nào có thành phần gây mất nước hoặc có liên quan tạm thời đến tình trạng mất nước. Điều này bao gồm hạn hán, nhiệt độ thấp, độ mặn và sự trưởng thành của hạt. Trong số các protein được kích thích, dehydrins (họ protein D‐II phong phú giai đoạn phôi cuối [LEA]) là những chất phổ biến nhất được quan sát, tuy nhiên, chúng ta vẫn còn thiếu hiểu biết về vai trò sinh hóa cơ bản của chúng trong tế bào. Các xu hướng nghiên cứu hiện tại đang thay đổi tình hình này: phương pháp định vị miễn dịch và phân tích sinh hóa trong ống nghiệm, thông qua các phép tương tự với các protein và phân tử khác đã được đặc trưng đầy đủ, đang định hình hiểu biết của chúng ta. Tóm lại, dehydrins có thể là những chất ổn định cấu trúc với các đặc tính giống như chất tẩy rửa và chaperone, cùng với một loạt các mục tiêu hạt nhân và tế bào chất. Tiến bộ gần đây trong việc lập bản đồ các gen dhn và di truyền khả năng chịu lạnh trong đại mạch và các loài Triticeae khác tạm thời chỉ ra rằng dehydrins có thể là các thành phần chính của khả năng chịu đựng sự khô hạn.

Các hợp chất phenolic là một nhóm lớn các phytochemical phổ biến trong thế giới thực vật. Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, các hợp chất này có thể được phân loại thành phenol đơn giản, axit phenolic, dẫn xuất axit hydroxycinnamic và flavonoid. Các hợp chất phenolic đã nhận được sự quan tâm đáng kể vì có khả năng bảo vệ chống lại bệnh ung thư và bệnh tim, một phần nhờ vào các đặc tính chống oxy hóa mạnh mẽ của chúng và sự phổ biến trong nhiều loại thực phẩm có nguồn gốc thực vật thường được tiêu thụ. Gia đình Brassicaceae bao gồm một loạt các cây rau trồng, một số có ý nghĩa kinh tế và được sử dụng rộng rãi trong chế độ ăn uống trên toàn thế giới. Thành phần phenolic của rau Brassica đã được nghiên cứu gần đây và hiện nay, hồ sơ của các loài Brassica khác nhau đã được thiết lập tốt. Trong bài viết này, chúng tôi xem xét ý nghĩa của các hợp chất phenolic như một nguồn các hợp chất có lợi cho sức khỏe con người và ảnh hưởng của các điều kiện môi trường và cơ chế chế biến đến thành phần phenolic của rau Brassica.

Sự hình thành căng thẳng oxy hóa dẫn đến sự gia tăng sản xuất các loài oxy phản ứng (ROS) trong tế bào thực vật. Các quá trình phòng vệ phối hợp xảy ra, có nhiều điểm chung giữa các loại căng thẳng, nhưng cũng đặc trưng cho vị trí tác động của căng thẳng và nồng độ của nó. Những vai trò chức năng có thể của những phản ứng này bao gồm, nhưng không giới hạn ở việc bảo vệ máy móc quang hợp, bảo tồn tính toàn vẹn của màng và bảo vệ ADN cũng như protein. Ngoài sự hiểu biết của chúng ta về các cơ chế tế bào để bảo vệ chống lại căng thẳng phi sinh học, có một vai trò mới được phát hiện của ROS trong tín hiệu và phản ứng phòng vệ đối với các tác nhân gây bệnh (J. L. Dangl, R. A. Dietrich và M. S. Richberg. 1996. Plant Cell 8: 1793–1807). Bằng chứng đến nay cho thấy một phản ứng phối hợp đối với ROS giữa các thành viên khác nhau của các họ gen superoxide dismutase (SOD). Một lớp phức tạp hơn được bổ sung bởi các báo cáo về sự phối hợp của biểu hiện giữa ascorbate peroxidase và các gen SOD. Hiểu biết của chúng ta về các cơ chế tín hiệu nằm sau các sự kiện phối hợp này vẫn còn ở giai đoạn đầu. Một tương lai thú vị đang đến gần, nơi mà sự phối hợp các phản ứng chống oxy hóa thành công sẽ được tiết lộ dần dần. Dữ liệu hiện tại cho thấy rằng các cơ chế điều tiết phức tạp hoạt động ở cả cấp độ gen và protein để điều phối các phản ứng chống oxy hóa và rằng một vai trò quan trọng được thực hiện bởi sự định vị của bào quan và sự phối hợp giữa các ngăn.

Các chất chống oxy hóa trong chế độ ăn uống như vitamin E và vitamin C rất quan trọng để duy trì sức khỏe tối ưu. Hiện nay, có nhiều mối quan tâm đến các sản phẩm polyphenol của con đường phenylpropanoid thực vật do chúng có hoạt tính chống oxy hóa đáng kể in vitro và phổ biến trong chế độ ăn uống của chúng ta. Các nguồn giàu bao gồm trà, rượu, trái cây và rau củ mặc dù mức độ bị ảnh hưởng bởi loài, ánh sáng, mức độ chín, chế biến và bảo quản. Điều này làm phức tạp việc lập cơ sở dữ liệu để ước lượng lượng tiêu thụ dinh dưỡng. Đến nay, hầu hết các nghiên cứu đã tập trung vào flavonoid, một thuật ngữ chung bao gồm chalcon, flavone, flavanone, flavanol và anthocyanin. Có rất ít bằng chứng dịch tễ thuyết phục cho thấy lượng tiêu thụ polyphenol có mối quan hệ ngược với tỷ lệ mắc ung thư, trong khi một số nghiên cứu cho thấy lượng tiêu thụ flavonoid cao có thể bảo vệ chống lại bệnh tim vành (CHD). Ngược lại, nhiều mô hình nuôi cấy tế bào và động vật chỉ ra hoạt tính chống ung thư mạnh mẽ của một số polyphenol thông qua một loạt các cơ chế, bao gồm hoạt tính chống oxy hóa, điều hòa enzyme, biểu hiện gen, apoptosis, tăng cường giao tiếp qua giao diện nối gap và hoạt hóa P-glycoprotein. Các tác dụng bảo vệ có thể chống lại bệnh tim mạch có thể là do khả năng của một số polyphenol trong việc ngăn chặn quá trình oxy hóa LDL thành dạng atherogenic, mặc dù cũng có báo cáo về hoạt tính chống kết tập tiểu cầu và đặc tính giãn mạch. Tuy nhiên, một số polyphenol có thể độc hại đối với tế bào động vật có vú. Do đó, cho đến khi biết thêm về khả năng sinh khả dụng, chuyển hóa và vị trí nội bào của chúng, việc tăng cường tiêu thụ polyphenol thông qua thực phẩm bổ sung hoặc tăng cường thực phẩm có thể là không khôn ngoan.

Brassinosteroid (BR) là các hormone steroid điều hòa sự phát triển và sinh trưởng của thực vật. Các nghiên cứu chi tiết về quá trình tổng hợp brassinolide, một loại BR có cấu trúc C₂₈, đã cho thấy rằng hai con đường song song, giai đoạn oxy hóa C-6 sớm và muộn, kết nối tại nhiều bước và cũng có sự liên kết với quá trình oxy hóa C-22 sớm. Do đó, các con đường tổng hợp BR có sự kết nối rất chặt chẽ. Hơn nữa, quá trình tổng hợp của các BR có cấu trúc C₂₇ được chứng minh là tương tự với C₂₈BR. Thông tin về các enzyme và gen liên quan đến quá trình tổng hợp BR, cũng như sự điều chỉnh của chúng, đã được thu thập thông qua các đột biến thiếu BR và không nhạy cảm với BR. Thêm vào đó, quá trình tổng hợp sterol, gần đây được công nhận không chỉ là tiền chất của BR và thành phần màng tế bào, mà còn là các yếu tố điều chỉnh phát triển của thực vật, được thảo luận. Các phản ứng chuyển hóa khác nhau của BR bao gồm epimer hóa, oxy hóa, và liên hợp cũng được tóm tắt.

Nấm sợi thuộc phức hợp loài Fusarium graminearum (phức hợp Fg) là tác nhân sinh học chính gây bệnh mốc đầu bông (scab) trên lúa mì và lúa mạch. Bệnh scab là một bệnh thực vật có sức tàn phá lớn về mặt kinh tế, giới hạn nghiêm trọng đến sản lượng và chất lượng ngũ cốc. Ngoài ra, ngũ cốc bị nhiễm mốc thường bị ô nhiễm với các mycotoxin trichothecene hoạt động như những yếu tố gây bệnh trên một số vật chủ, và đặt ra mối đe dọa nghiêm trọng đối với sức khỏe động vật và an toàn thực phẩm. Sự khác biệt đặc trưng theo chủng trong hồ sơ các hợp chất trichothecene (hóa tính) không tương quan tốt với phả hệ phức hợp Fg dựa trên sự đồng thuận di truyền tại sáu gen nhân đơn bản. Để kiểm tra cơ sở của sự bất đồng này giữa loài và tiến hóa độc tố, một vùng 19-kb của cụm gen trichothecene đã được phiên giải ở 39 chủng đại diện cho sự đa dạng di truyền toàn cầu của các loài trong phức hợp Fg và bốn loài liên quan của Fusarium. Phân tích phả hệ cho thấy đa hình trong các gen liên quan đến khả năng gây bệnh này là xuyên loài và có vẻ đã được duy trì qua cân bằng chọn lọc hoạt động trên sự khác biệt hóa tính bắt nguồn từ tổ tiên của nhóm quan trọng này của nấm gây bệnh thực vật. Sự khác biệt đặc trưng hóa tính trong hạn chế chọn lọc và bằng chứng của tiến hóa thích ứng trong các gen trichothecene cũng được báo cáo.