Meng Chen, Tiến sĩ, Phó Giáo sư Sinh học Tế bào tại Đại học California (UCR) cho biết: “Điều quan trọng là phải hiểu làm thế nào thực vật phản ứng với nhiệt độ để dự đoán không chỉ nguồn cung lương thực thực phẩm trong tương lai mà còn phát triển các công nghệ mới để giúp thực vật đối phó với nhiệt độ ngày càng tăng”.

Các nhà khoa học rất quan tâm đến việc tìm ra cách thức thực vật trải qua nhiệt độ trong ngày, nhưng cho đến gần đây, cơ chế này vẫn khó nắm bắt. Chen đang dẫn đầu một nhóm nghiên cứu về vai trò của phytochrom B, một con đường truyền tín hiệu phân tử có thể đóng vai trò then chốt trong cách thức thực vật phản ứng với nhiệt độ.

Trong một bài báo được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, Chen và các đồng nghiệp tại UCR đã mô tả các yếu tố di truyền cần thiết cho sự phát triển của cây trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau bằng cách sử dụng cây mẫu Arabidopsis.

Thực vật phát triển theo đồng hồ sinh học, được kiểm soát bởi các mùa. Tất cả các quá trình sinh lý của cây được phân vùng để xảy ra tại thời điểm cụ thể trong ngày.

Trên thực tế, Arabidopsis phát triển vào các thời điểm khác nhau trong ngày khi các mùa thay đổi. Vào mùa hè, cây phát triển vào ban ngày, nhưng vào mùa đông, nó phát triển vào ban đêm. Các thí nghiệm trước đây bắt chước các điều kiện mùa đông cho thấy phản ứng kịch tính trong phytochrom B, nhưng các thí nghiệm bắt chước các điều kiện mùa hè kém mạnh mẽ hơn.

Chen và nhóm của ông đã quyết định kiểm tra vai trò của phytochrom B trong cây Arabidopsis ở 21 độ C và 27 độ C dưới ánh sáng đỏ. Bước sóng đơn sắc cho phép nhóm nghiên cứu cách thức hoạt động của cảm biến thực vật đặc biệt này mà không bị nhiễu từ các bước sóng ánh sáng khác.

Chen nói: “Trong những điều kiện này, chúng tôi thấy một phản ứng mạnh mẽ. Nghiên cứu cho thấy phytochrom B là một cảm biến nhiệt độ vào ban ngày vào mùa hè. Nếu không có bộ cảm biến quang này, phản ứng ở thực vật sẽ giảm đáng kể”.

Ngoài việc xác định chức năng của phytochrom B, nghiên cứu của Chen còn chỉ ra vai trò của HEMERA, một chất kích hoạt phiên mã giúp bật các gien phản ứng nhiệt độ kiểm soát sự phát triển của thực vật.

Chen nói: “Chúng tôi đã tìm thấy sự kiểm soát chính đối với cảm biến nhiệt độ ở thực vật. HEMERA được bảo tồn trong tất cả các loại cây, từ rêu đến thực vật có hoa”.

Về bản chất, Chen và nhóm của ông đã xác định cơ chế di truyền được sử dụng bởi tất cả các loài thực vật khi chúng phản ứng với điều kiện ánh sáng ban ngày cũng như khả năng cảm nhận nhiệt độ.

Chen thừa nhận rằng không phải tất cả các loài thực vật có thể phản ứng giống như Arabidopsis trong nghiên cứu này. Trước khi nghiên cứu này có thể được áp dụng, có thể cần phải hiểu cách thức con đường truyền tín hiệu nhiệt độ này hoạt động trong các hệ thống thực vật khác nhau. Chen tin rằng con đường có thể tương tự cho tất cả các cây trồng và có thể chỉ yêu cầu sửa đổi nhỏ.

Nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ mở rộng nghiên cứu này bằng cách thêm sự phức tạp hơn vào các thiết kế thử nghiệm trong tương lai, chẳng hạn như khám phá phản ứng của con đường truyền tín hiệu dưới ánh sáng trắng hoặc điều kiện ban ngày. Chen cũng muốn kiểm tra các hệ thống cây trồng khác sử dụng HEMERA để trải nghiệm nhiệt độ như thế nào.

Chen nói: “Để đối phó với sự thay đổi nhiệt độ nhanh chóng liên quan đến sự nóng lên toàn cầu, chúng ta có thể phải phát triển các giống cây trồng thích nghi với môi trường mới. Điều này sẽ đòi hỏi một sự hiểu biết phân tử về cách thực vật cảm nhận và phản ứng với nhiệt độ”.