Khí khổng (hay lỗ khí) là những cấu trúc biểu mô ở lá hay thân cây có chức năng điều khiển quá trình trao đổi khí giữa cơ thể thực vật và môi trường. Các lỗ khí cũng được coi như các "van" điều khí. Sự đóng, mở của các van này phụ thuộc vào diễn biến của các quá trình sinh hóa diễn ra trong cây. Chính vì vậy chúng không những đóng vai trò quan trọng trong đời sống thực vật mà còn có ảnh hưởng đến môi trường không khí, hay nói rộng hơn, ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu.

Các nhà khoa học cho rằng nghiên cứu cơ chế hình thành khí khổng trong các điều kiện khí hậu khác nhau sẽ mở đường cho việc tạo các loại cây lương thực hay cây cung cấp nguyên liệu sinh học trong điều kiện biến đổi khí hậu và cạn kiệt năng lượng không tái tạo được.

Ở chi Arabidopsis thuộc họ cải, quá trình hình thành khí khổng chịu ảnh hưởng của các tín hiệu kích thích và các tín hiệu ức chế. Nhóm kích thích gồm các yếu tố tăng cường quá trình sao mã và liên quan chặt chẽ với các protein mang cấu trúc cơ bản gồm hai đoạn xoắn nối với nhau qua phần quai: basic helix-loop-helix; bHLH (tương tự cấu trúc của dioxin receptor ở động vật). Những yếu tố sao mã thuộc nhóm kích thích đã được xác định có tên SPEECHLESS (SPCH), MUTE và FAMA. Nhìn chung các yếu tố trong nhóm này làm tăng cường quá trình chuyển dạng, phân chia và biệt hóa các tiền tế bào trong cấu trúc biểu mô để hình thành khí khổng. Nhóm các yếu tố ức chế bao gồm các enzym xúc tác quá trình phosphoryl hóa (mitogen-activated protein kinase: MAPK) serine và threonine qua đó ảnh hưởng đến nhiều hoạt động của tế bào như biểu hiện của các gene, hình thành thoi vô sắc, phân hóa tế bào, phát triển, phản ứng với các yếu tố ngoại cảnh...

Câu hỏi còn bỏ ngỏ là bằng cách nào mà các tín hiệu ngược chiều tìm được tiếng nói chung, quyết định một lỗ khí được tạo ra hay không tại một ví trí nào đó.

Lampard cùng các cộng sự tại ĐH Stanford (Mỹ) đã trả lời được câu hỏi này qua nghiên cứu chỉ ra rằng cấu trúc mang tên SPEECHLESS (cấu trúc Lặng im) "đứng ra" đảm nhận vai trò làm đích tiếp nhận tác động phosphoryl hóa từ MAPK. Tín hiệu từ MAPK đến các hoạt động của SPEECHLESS đã quyết định những ảnh hưởng nào của MAPK được thực hiện dẫn đến sự thống nhất giữa các tín hiệu phát triển nội bào và tín hiệu môi trường để "duyệt" một "công trình" gồm các khí khổng phân bố một cách hợp lý.

Kết quả được công bố trên tạp chí Sciences (14 November 2008: Vol. 322. no. 5904, pp. 1113 - 1116)

Tóm tắt


Arabidopsis Stomatal Initiation Is Controlled by MAPK-Mediated Regulation of the bHLH SPEECHLESS

Stomata, epidermal structures that modulate gas exchange between plants and the atmosphere, play critical roles in primary productivity and the global climate. Positively acting transcription factors and negatively acting mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling control stomatal development in Arabidopsis; however, it is not known how the opposing activities of these regulators are integrated. We found that a unique domain in a basic helix-loop-helix (bHLH) stomatal initiating factor, SPEECHLESS, renders it a MAPK phosphorylation target in vitro and modulates its function in vivo. MAPK cascades modulate a diverse set of activities including development, cell proliferation, and response to external stresses. The coupling of MAPK signaling to SPEECHLESS activity provides cell type specificity for MAPK output while allowing the integration of multiple developmental and environmental signals into the production and spacing of stomata.