ข้าวหอมมะลิ เป็นสายพันธุ์ข้าวที่มีถิ่นกำเนิดในไทย มีลักษณะกลิ่นหอมคล้ายใบเตย เป็นพันธุ์ข้าวที่ปลูกได้มีคุณภาพดีในประเทศและเป็นพันธุ์ข้าวที่ทำให้ข้าวไทยเป็นสินค้าส่งออกเกษตรที่รู้จักไปทั่วโลก ซึ่งข้าวพันธุ์หอมมะลิหมายเลข 105 ได้ อนุมัติให้เป็นพันธุ์ส่งเสริมแก่เกษตรกร โดยเกษตรกรทั่วไปเรียกว่า “ขาวดอกมะลิ 105”

          ผศ. ดร. ชลทิชา ตันติธาดาพิทักษ์ อาจารย์ประจำภาควิชาชีวเคมี คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ และคณะวิจัยได้ศึกษาค้นคว้าเกี่ยวกับหน้าที่ของเอนไซม์อัลโดคีโตรีดักเดสในการกำจัดสารในกลุ่มแอลดีไฮด์ที่เป็นพิษ โดยมุ่งเน้นศึกษาการแสดงออกของยีนดังกล่าวในพันธุ์ข้าวขาวดอกมะลิ 105

         พืชภายใต้สภาวะเครียดเกิดจากสภาวะแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงและไม่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโต ทั้งจากสิ่งที่ไม่มีชีวิต (abiotic) เช่น น้ำ อุณหภูมิ และสิ่งที่มีชีวิต (biotic) เช่น แมลงศัตรูพืช ซึ่งสภาวะจากความแล้ง ความร้อน หรือดินเค็ม จะทำให้พืชเกิดความเครียด ชักนำให้มีการสะสมอนุมูลอิสระ เกิดความว่องไวทางปฏิกิริยาเคมี สามารถเข้าทำปฏิกิริยากับโปรตีนหรือไขมันที่อยู่ในเซลล์ ก่อให้เกิดโทษ ทำให้เซลล์พืชเสียหายและตายได้

         พืชจึงต้องปรับตัวเพื่อให้สามารถทนทานกับสภาวะเครียดได้ โดยการผลิตสารต้านอนุมูลอิสระหรือเอนไซม์เพื่อลดความเป็นพิษในเซลล์ และเอนไซม์สำคัญที่พืชใช้ในกระบวนการกำจัดสารพิษเพื่อตอบสนองและปรับตัวต่อสภาวะเครียด คือ อัลโดคีโตรีดักเดส นั่นเอง

        นักวิจัยจึงได้ทำการทดลองศึกษาการแสดงออกของเอนไซม์อัลโดคีโตรีดักเดสจากพันธุ์ข้าวหอมมะลิไทยหมายเลข 105 ในพืชที่มีการดัดแปลงพันธุกรรม โดยควบคุมให้อยู่ในสภาวะปกติและสภาวะขาดน้ำ โดยผลการทดลองสรุปได้ว่าพืชที่มีการดัดแปลงพันธุกรรม มีการแสดงออกของโปรตีนที่กำจัดสารพิษแอลดีไฮด์ได้ดีกว่าต้นดั้งเดิมปกติซึ่งใช้เป็นต้นควบคุมที่ไม่ถูกถ่ายยีน

         ดร. ชมภูนุช ส่งสิริฤทธิกุล นักวิทยาศาสตร์ระบบลำเลียงแสงของสถาบันวิจัยแสงซินโครตรอนและศูนย์โครงสร้างและฟังก์ชั่นการประยุกต์ใช้ชีวโมเลกุล (มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี) ได้เตรียมผลึกของโปรตีนอัลโดคีโตรีดักเดสจากข้าวพันธุ์หอมมะลิหมายเลข 105 มาวิเคราะห์โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์ด้วยเทคนิค Macromolecular X-ray Crystallography โดยเทคนิคนี้สามารถอธิบายกลไกลการทำงานของเอนไซม์กับสับสเตรทอัลดีไฮด์ได้ ซึ่งข้อมูลโครงสร้างของเอนไซม์ดังกล่าวนี้เองจะเป็นประโยชน์สำหรับการปรับปรุงพัฒนาพันธุ์ข้าวหอมมะลิไทยให้ได้สายพันธุ์ที่ต้านทานต่อสภาวะเครียดได้ดีขึ้น ซึ่งเป็นปัจจัยที่สำคัญในการเพิ่มผลผลิตได้ต่อไปในอนาคต

รูปที่ 1 โครงสร้างเคมีของโมเลกุล (1A) เมทิลไกลออกซาล (methylglyoxal; MG) (1B) มาลอนไดอัลดีไฮด์ (malondialdehyde; MDA)

รูปที่ 2 ระดับปริมาณอัลดีไฮด์เปรียบเทียบระหว่างสภาวะปกติและสภาวะขาดน้ำจากต้นพืชดั้งเดิมปกติและจากต้นพืชดัดแปลงพันธุกรรม (A) ระดับปริมาณเมทิลไกลออกซาล (methylglyoxal; MG) ที่วิเคราะห์ได้ (2B) ระดับปริมาณมาลอนไดอัลดีไฮด์ (malondialdehyde; MDA) ที่วิเคราะห์ได้

รูปที่ 3 โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์อัลโดคีโตรีดักเดสจากข้าวพันธุ์หอมมะลิหมายเลข 105 (PDB code 6KBL)

รูปที่ 4 โครงสร้างสามมิติของเอนไซม์อัลโดคีโตรีดักเดส (PDB code 6KBL) ส่วนที่จับกับโคแฟคเตอร์และสับสเตรท

คณะผู้วิจัย

ดร. ชมภูนุช ส่งสิริฤทธิกุล สถาบันวิจัยแสงซินโครตรอน (องค์การมหาชน) และศูนย์โครงสร้างและฟังก์ชั่นการประยุกต์ใช้ชีวโมเลกุล 
ดร. รวินท์  นราวงศานนท์ และผศ. ดร. ชลทิชา ตันติธาดาพิทักษ์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน
Dr. Hong-Hsiang Guan และ Prof. Dr. Chun-Jung Chen, Scientific Research Division, National Synchrotron Radiation Research Center, Hsinchu, Taiwan

เอกสารอ้างอิง

1. Songsiriritthigul, C., Narawongsanont, R., Tantitadapitak, C., Guan, H-H. & Chen, C-J. (2020). Structure-function study of AKR4C14, an aldo-keto reductase from Thai Jasmine rice (Oryza sativa L. ssp. Indica cv. KDML105). Acta Crystallographica D.76, 472-483.
2. Auiyawong, B., Narawongsanont, R. & Tantitadapitak, C. (2017). Characterization of AKR4C15, a Novel Member of Aldo-Keto Reductase, in Comparison with Other Rice AKR(s). The Protein Journal. 36, 257-269.
3. Narawongsanont, R., Kabinpong, S., Auiyawong, B. & Tantitadapitak, C. (2012). Cloning and characterization of AKR4C14, a rice aldo-keto reductase, from Thai Jasmine rice. The Protein Journal. 31, 35-42.