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.

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.

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.

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.

Lão hóa liên quan đến một số thay đổi về chức năng và hình thái dẫn đến sự suy giảm dần dần các chức năng sinh học của một sinh vật. Các Chất Tạo Phản Ứng Oxy (ROS), do nhiều quá trình nội sinh và ngoại sinh thải ra, có thể gây ra tổn thương oxy hóa quan trọng đối với DNA, protein và lipid, dẫn đến các rối loạn tế bào nghiêm trọng. Sự mất cân bằng giữa sản xuất ROS và khả năng chống oxy hóa dẫn đến các tình trạng căng thẳng oxy và, liên quan đến sự tích tụ của ROS, các bệnh liên quan đến tuổi tác. Mục đích của bài đánh giá này là cung cấp một cái nhìn tổng quan về những dữ liệu có liên quan nhất được báo cáo trong tài liệu về các hợp chất tự nhiên, chủ yếu là các chất hóa học từ thực vật, với hoạt tính chống oxy hóa và các tác dụng bảo vệ tiềm năng của chúng đối với các bệnh liên quan đến tuổi tác như hội chứng chuyển hóa, tiểu đường, bệnh tim mạch, ung thư, bệnh thoái hóa thần kinh và viêm mãn tính, và có thể có tác dụng phụ thấp hơn, khi so sánh với các loại thuốc khác.

Quá trình đô thị hóa đang gia tăng được giả thuyết sẽ làm thay đổi đáng kể các môi trường (nửa) tự nhiên, dẫn đến sự suy giảm nghiêm trọng về số lượng và đa dạng sinh học. Tuy nhiên, nghiên cứu về ảnh hưởng của đô thị hóa cũng như quy mô không gian mà nó tác động vẫn chưa có kết luận rõ ràng do sự khác biệt lớn trong các nhóm phân loại và các quy mô không gian mà mối quan hệ này được điều tra giữa các nghiên cứu. Các nghiên cứu toàn diện phân tích mối quan hệ này qua nhiều nhóm động vật và ở nhiều quy mô không gian là rất hiếm, gây khó khăn trong việc đánh giá cách mà đa dạng sinh học phản ứng chung với quá trình đô thị hóa. Chúng tôi đã nghiên cứu các nhóm động vật không xương sống sống dưới nước (cladocerans), sống ở cả nước và trên cạn (rotifers bdelloid) và trên cạn (bướm, bọ cánh cứng, nhện mặt đất và nhện mạng, sâu bướm lớn, côn trùng cánh thẳng và ốc) bằng cách sử dụng thiết kế không gian phân tầng, trong đó ba mức độ đô thị hóa quy mô nhỏ (200 m × 200 m) đã được lấy mẫu nhiều lần qua ba mức độ đô thị hóa quy mô lớn (3 km × 3 km). Chúng tôi đã kiểm tra tác động của đô thị hóa quy mô nhỏ và quy mô lớn lên số lượng và độ phong phú của mỗi nhóm, trong đó tổng độ phong phú được phân chia thành độ phong phú trung bình của các cộng đồng địa phương và độ phong phú do sự biến đổi giữa các cộng đồng địa phương. Số lượng của các loại phân tán hoạt động trên cạn đã giảm đáng kể khi có đô thị hóa địa phương, với mức giảm lên tới 85% đối với bướm, trong khi các loại phân tán thụ động không cho thấy xu hướng rõ ràng nào. Độ phong phú loài cũng giảm theo mức độ đô thị hóa tăng dần, nhưng phản ứng lại rất không đồng nhất giữa các nhóm khác nhau về linh kiện phong phú và quy mô không gian mà đô thị hóa tác động đến độ phong phú. Tùy thuộc vào nhóm, độ phong phú loài giảm do sự đồng hóa sinh học và/hoặc mất mát loài địa phương. Điều này dẫn đến một sự giảm tổng thể về độ phong phú tổng hợp giữa các nhóm ở các khu vực đô thị. Những kết quả này cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho tác động tiêu cực chung của quá trình đô thị hóa lên số lượng và độ phong phú loài trong các vùng sinh cảnh và làm nổi bật tầm quan trọng của việc xem xét nhiều quy mô không gian và các nhóm phân loại để đánh giá tác động của đô thị hóa đối với đa dạng sinh học.