นักวิจัยได้ค้นพบออร์แกเนลล์ชนิดหนึ่งซึ่งเป็นโครงสร้างเซลล์พื้นฐานที่สามารถเปลี่ยนก๊าซไนโตรเจนให้อยู่ในรูปแบบที่มีประโยชน์ต่อการเจริญเติบโตของเซลล์ การค้นพบโครงสร้างที่เรียกว่าไนโตรพลาสต์ (nitroplast) ในสาหร่าย อาจนำไปสู่การดัดแปลงพันธุกรรมพืช เพื่อแปลงและใช้ไนโตรเจนในตัวเอง ซึ่งสามารถช่วยเพิ่มผลผลิตพืช และลดความจำเป็นในการใช้ปุ๋ย ผลงานนี้ได้รับการตีพิมพ์ และเผยแพร่เมื่อวัน ที่11 เมษายน 2024 ในวารสารทางวิชาการ Science โดย Jonathan Zehr นักนิเวศวิทยามหาสมุทร จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาครูซ สหรัฐอเมริกา และคณะ
จากการศึกษาจากหนังสือเรียนพบว่า การตรึงไนโตรเจนเกิดขึ้นเฉพาะในแบคทีเรียและอาร์เคีย (archaea) เท่านั้น แต่สาหร่ายสายพันธุ์ที่พบนี้ เป็นยูคาริโอตตัวแรกที่สามารถตรึงไนโตรเจนได้ (nitrogen-fixing eukaryote) ในปี 2012 Zehr และคณะ รายงานว่าสาหร่ายทะเล Braarudosphaera bigelowii (B. bigelowii) มีปฏิสัมพันธ์ที่เกื้อกูลกับแบคทีเรียที่เรียกว่า UCYN-A ซึ่งอาศัยอยู่ในหรือบนเซลล์สาหร่าย นักวิจัยตั้งสมมติฐานว่า UCYN-A แปลงก๊าซไนโตรเจนเป็นสารประกอบที่สาหร่ายใช้ในการเจริญเติบโต เช่น แอมโมเนีย ในทางกลับกันก็คิดว่าแบคทีเรียน่าจะได้รับแหล่งพลังงานคาร์บอนจากสาหร่าย
ภาพถ่ายของเซลล์ Braarudosphaera bigelowii ด้วยกำลังขยาย 1,000 เท่า
เครดิตภาพ: Tyler Coale
แต่ในการศึกษาล่าสุด Zehr และคณะ สรุปว่า UCYN-A ควรจัดอยู่ในประเภทออร์แกเนลล์ (organelles) ภายในสาหร่าย แทนที่จะเป็นสิ่งมีชีวิตที่แยกจากกัน จากการวิเคราะห์ทางพันธุกรรมในการศึกษาครั้งก่อนพบว่า บรรพบุรุษของสาหร่ายและแบคทีเรียมีความสัมพันธ์ทางชีวภาพเมื่อประมาณ 100 ล้านปีก่อน ซึ่งก่อให้เกิดออร์แกเนลล์ไนโตพลาสต์ที่พบเห็นใน B. bigelowii นักวิจัยใช้เกณฑ์สำคัญสองประการในการตัดสินใจว่าเซลล์แบคทีเรียกลายเป็นออร์แกเนลล์ในเซลล์เจ้าบ้าน (host cell) หรือไม่ คือ ประการแรก โครงสร้างเซลล์ที่สงสัยจะต้องถูกส่งต่อไปยังเซลล์เจ้าบ้านรุ่นต่อรุ่น ประการที่สอง โครงสร้างเซลล์จะต้องอาศัยโปรตีนที่ได้รับจากเซลล์เจ้าบ้าน
ด้วยการถ่ายภาพเซลล์สาหร่ายหลายสิบเซลล์ในระยะต่างๆ ของการแบ่งเซลล์ นักวิจัยพบว่าไนโตรพลาสต์แยกออกเป็นสองส่วน ก่อนที่เซลล์สาหร่ายทั้งหมดจะแบ่งตัว ด้วยวิธีนี้ ไนโตรพลาสต์หนึ่งตัวจะถูกส่งผ่านจากเซลล์ต้นกำเนิดไปยังลูกหลาน เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นในโครงสร้างเซลล์อื่นๆ ต่อมานักวิจัยพบว่าไนโตรพลาสต์ได้รับโปรตีนที่จำเป็นต่อการเจริญเติบโตจากเซลล์สาหร่าย ไนโตรพลาสต์ซึ่งมีปริมาณมากกว่า 8% โดยปริมาตรของเซลล์เจ้าบ้านแต่ละเซลล์ ขาดโปรตีนสำคัญที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงและการสร้างสารพันธุกรรม โดยโปรตีนจำนวนมากจากสาหร่ายเหล่านี้เป็นเพียงส่วนเติมเต็มในการเผาผลาญพลังงาน
การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างไนโตรพลาสต์กับเซลล์เจ้าบ้านนี้ เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาพืช โดยทำให้พืชสามารถตรึงไนโตรเจนของตัวเองได้ วิธีนี้จะช่วยลดความจำเป็นในการใช้ปุ๋ยที่มีไนโตรเจนเป็นส่วนประกอบหลัก เนื่องจากผลผลิตของพืชถูกจำกัดจากปริมาณไนโตรเจน
ข้อมูลอ้างอิง
Scientists discover first algae that can fix nitrogen — thanks to a tiny cell structure สืบค้นเมื่อ 11 เมษายน 2567 จาก https://www.nature.com/articles/d41586-024-01046-z
Nitrogen-fixing organelle in a marine alga สืบค้นเมื่อ 11 เมษายน 2567 จาก https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk1075