Các giai đoạn quan trọng trong suốt quá trình tiến hóa của khí khổng. Hai lỗ khí khổng mở trên bền mặt của lá dương xỉ, mỗi lỗ được bao bọc bởi các tế bào hình quả thận. Khí khổng có thể đã tiến hóa khá sớm ở cây trồng trên mặt đất từ tất cả các loài thực vật ngày nay trở về trước, nhưng có thể biến mất ở lớp địa tiền.

Một số gen kiểm soát chuyển động của khí khổng ở thực vật có hoa có khả năng phát sinh gần đây, trong các loại thực vật có hạt, từ trong các bộ gen cổ đại có mặt trong các loại tảo. Các gen báo hiệu với vai trò cụ thể trong các tế bào bảo vệ có khả năng phát sinh sau khi rêu tiến hóa từ một tổ tiên chung.

Các lỗ chân lông nhỏ trên lá của thực vật được gọi là khí khổng, có ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái của hành tinh chúng ta. Thông qua khí khổng, thực vật hấp thu carbon dioxide, kết hợp với carbohydrates và giải phóng oxy. Nhưng chúng cũng bị mất nước thông qua các lỗ chân lông mở, có thể gây nguy hiểm đến sự sống của cây trồng trong điều kiện khô hạn.

Chính vì vậy, thực vật đã phát triển các đường dẫn tín hiệu phức tạp nhằm tối ưu hóa độ mở của khí khổng để có thể phù  hợp với các điều kiện của môi trường. 

Để đối phó với sự thay đổi sẵn có của ánh sáng, carbon dioxide và nước, chúng có thể đóng hoặc mở các lỗ chân lông này. Làm thế nào mà các đường dẫn tín hiệu đáp ứng với quy luật phát triển đó. Điều này đang được khảo sát tại Julius-Maximilians-Đại học Wurzburg (JMU) ở Bavaria, Đức, thực hiện bởi nhà khoa học thực vật Rainer Hedrich.

Chúng tôi hiện đang thu thập và phân tích dữ liệu từ các loài thực vật khác nhau, giáo sư Hedrich nói. Ông giải thích rằng nghiên cứu này có liên quan đến nông nghiệp “Kiến thức về sự phát triển của những con đường dẫn tín hiệu này có thể giúp ích cho việc nhân giống để phát triển các loại cây trồng có thể sinh trưởng với một lượng nước ít hơn”. 

Rốt cuộc, phần lớn lượng nước cung cấp cho cây trồng thông qua hệ thống tưới bị mất qua các lỗ chân lông. Dưới góc nhìn của biến đổi khí hậu, các giống cây trồng có thể đối phó tốt với tình trạng hạn hán đang rất được tìm kiếm.

Lịch sử của các gen quan trọng đang được tái cấu trúc

Trong tạp chí Xu hướng trong khoa học cây trồng (Trends in Plant Science), các nhà nghiên cứu của JMU, Tiến sĩ Frances Sussmilch, Giáo sư Jörg Schultz, Giáo sư Hedrich và Tiến sĩ Rob Roelfsema đã tóm tắt hiện trạng kiến thức về các đường truyền tín hiệu mà thực vật sử dụng để điều chỉnh cân bằng nước của chúng.

Nhóm nghiên cứu của Đại học Würzburg đã tái cấu trúc lại lịch sử tiến hóa của các gen quan trọng kiểm soát sự di chuyển của các lỗ chân lông trên các loại thực vật có hoa. Họ phát hiện ra rằng hầu hết các gen này thuộc về các bộ gen cũ xảy ra trong tất cả các nhóm thực vật, bao gồm cả tảo xanh. Những bộ gen này có thể đã phát triển trước khi những cây đầu tiên sinh sống trên mặt đất.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng một số gen riêng biệt kiểm soát việc mở và đóng lỗ chân lông để phản ứng với ánh sáng, carbon dioxide có lẽ chỉ phát triển trong các loài thực vật có hạt hoặc ở các loài thực vật có hoa sau khi chúng được tách ra trong quá trình tiến hóa từ tổ tiên chung với dương xỉ.

Các gen tín hiệu riêng biệt trong các tế bào bảo vệ có thể điều chỉnh

Các nhà khoa học JMU xem xét kỹ các tế bào bảo vệ của thực vật. Hai tế bào này bao quanh từng lỗ chân lông. Khi áp suất thủy lực tăng trong các tế bào bảo vệ, lỗ chân không sẽ mở ra. Nếu áp lực giảm, lỗ chân lông sẽ đóng lại.

Trong các tế bào bảo vệ của các loài thực vật có hoa, các sản phẩm của một số gen tín hiệu quan trọng nhất định có các tính chất độc đáo hoặc được tìm thấy ở nồng độ cao hơn nhiều so với các tế bào lá xung quanh. 

Tính đặc hiệu của các gen này có khả năng quan trọng để kiểm soát áp suất thủy lực trong các tế bào bảo vệ.

Các nhà nghiên cứu cũng đã xem xét các gen liên quan bằng cách sử dụng dữ liệu có sẵn cho loài rêu Physcomitrella patens.  Frances Sussmilch nói: "Chúng tôi phát hiện ra rằng không có gen nào ở loài rêu là đặc trưng cho mô mang khí khổng nhưng thay vào đó tất cả các gen này được biểu hiện trong các mô không có lỗ chân lông này. 

Rob Roelfsema và Jörg Schultz cho rằng: "Các gen báo hiệu với vai trò riêng biệt trong các tế bào bảo vệ có thể phát sinh sau này trong quá trình tiến hóa của thực vật, sau sự phân kỳ của rêu từ tổ tiên chúng chia sẻ với các loài thực vật có hoa".

Nguyễn Thị Hương theo Sciencedaily.