Khí khổng trên lá. Ảnh: © constantincornel / Adobe Stock.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra cách thực vật tạo ra mạng lưới của luồng không khí - Phổi của lá - để vận chuyển carbon dioxide (CO₂) đến các tế bào.

Từ thế kỷ thứ 19, các nhà thực vật học được biết rằng lá có những lỗ - được gọi là khí khổng - chứa một mạng lưới nội bộ phức tạp của các hệ thống các luồng không khí. Tuy nhiên, cho đến bây giờ, người ta vẫn chưa hiểu làm thế nào các luồng khí hình thành  đúng chỗ để cung cấp lượng CO₂ ổn định cho mỗi tế bào thực vật.

Nghiên cứu mới đây, dẫn đầu bởi các nhà khoa học của Viện nghiên cứu Thực phẩm Bền vững thuộc Đại học Sheffield và được công bố trên tạp chí Nature Communications, đã sử dụng các kỹ thuật thao tác di truyền để chỉ ra rằng một chiếc lá càng có nhiều khí khổng thì càng tạo ra nhiều không khí. Các luồng/kênh hoạt động như các tiểu phế quản – sự di chuyển nhỏ đó mang không khí đến trao đổi trên bề mặt của phổi người và động vật.

Phối hợp với các đồng nghiệp tại Đại học Nottingham và Đại học Lancaster, họ chỉ ra rằng sự chuyển động của CO₂ thông qua các lỗ khí hầu như xác định hình dạng và quy mô của mạng lưới luồng/kênh không khí.

Phát hiện này đánh dấu một bước tiến lớn trong sự hiểu biết của chúng ta về cấu trúc bên trong của lá và cách chức năng của các mô có thể ảnh hưởng đến cách chúng phát triển – mà có thể có sự phân nhánh vượt ra ngoài sinh học thực vật, trong các lĩnh vực như sinh học tiến hóa.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cây lúa mì đã được chọn tạo bằng sự phát triển của con người có ít lỗ hơn trên lá và ít rãnh không khí hơn, mà làm lá của chúng dày hơn và cho phép chúng được trồng trong điều kiện ít nước hơn.

Hiểu biết mới này nhấn mạnh tiềm năng tạo ra các loại cây trồng chính như lúa mì thậm chí còn tiết kiệm nước hơn bằng cách thay đổi cấu trúc bên trong của lá. Với cách tiếp cận này, các nhà khoa học khác tại Viện Lương thực Bền vững đã phát triển các giống lúa và lúa mì có thể chịu được khí hậu khắc nghiệt.

Giáo sư Andrew Fleming từ Viện Lương thực Bền vững thuộc Đại học Sheffield cho biết: “Cho đến nay, cách thức thực vật hình thành các hệ thống trao đổi không khí phức tạp của chúng vẫn còn là bí ẩn đáng ngạc nhiên đối với các nhà khoa học thực vật”.

“Phát hiện quan trọng này cho thấy sự chuyển động của không khí qua hình thái lá hoạt động bên trong của chúng mà hàm ý đối với cách chúng ta nghĩ về sự tiến hóa ở thực vật.

Thực tế con người đã vô tình làm ảnh hưởng đến cách thở của thực vật bằng cách chọn giống lúa mì ít sử dụng nước cho thấy chúng ta có thể nhắm vào các mạng lưới kênh không khí này để phát triển các loại cây trồng có thể sống sót sau những đợt hạn hán khắc nghiệt hơn khi gặp sự cố khí hậu". Tiến sĩ Marjorie Lundgren, Giám đốc khởi nghiệp Leverhulme thuộc Đại học Lancaster, cho biết: "Từ lâu, các nhà khoa học đã hoài nghi về sự phát triển của khí khổng và sự phát triển của các khoảng không gian bên trong một chiếc lá được phối hợp. Tuy nhiên, chúng tôi không thực sự chắc chắn điều đó đã tiến triển theo hướng khác, vì vậy, điều này đã bắt đầu như câu hỏi là cái gì có trước, con gà hay quả trứng?”.

"Sử dụng một bộ thí nghiệm thông minh liên quan đến phân tích hình ảnh X-quang CT, nhóm cộng sự của chúng tôi đã trả lời những câu hỏi này bằng cách sử dụng các loài có cấu trúc lá rất khác nhau. Chúng tôi thấy sự phát triển của khí khổng bắt đầu mở rộng khoảng không gian, chúng tôi đã tiến thêm một bước xa hơn để chỉ ra rằng khí khổng thực sự cần phải trao đổi khí để không gian không khí mở rộng. Điều này vẽ ra một câu chuyện thú vị hơn nhiều, liên quan đến sinh lý học".

Công việc chụp ảnh bằng tia X được thực hiện tại Cơ sở Hounsfield thuộc Đại học Nottingham. Giám đốc Cơ sở, Giáo sư Sacha Mooney, cho biết: "Cho đến gần đây, ứng dụng chụp X-quang CT hay quét CAT, trong khoa học thực vật chủ yếu tập trung vào việc hình dung một nửa ẩn số của cây - rễ - khi chúng trồng trong đất. Làm việc với các cộng sự của chúng tôi ở Sheffield, giờ đây chúng tôi đã phát triển kỹ thuật trực quan hóa cấu trúc tế bào của lá cây trong 3D - cho phép chúng ta thấy mạng lưới không gian phức tạp bên trong khoảng không khí của lá điều khiển trạng thái hoạt động của nó. Nó thật thú vị".

Viện nghiên cứu Lương thực Bền vững thuộc Đại học Sheffield mang đến sự thấu hiểu đa ngành và các cơ sở nghiên cứu tầm cỡ thế giới để giúp đạt được an ninh lương thực và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên mà tất cả chúng ta phụ thuộc.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.