Bằng cách nào thực vật đối phó với ánh sáng vào ngày lạnh và tại sao điều này quan trọng đối với những cây trồng trong tương lai

Nghiên cứu do Trung tâm John Innes dẫn đầu đã phát hiện ra một cơ chế “đối phó” với cái lạnh ở điều kiện dưới mức kiểm soát của đồng hồ sinh học thực vật. Nguồn: TS. Dora Cano-Ramirez.

Vào những buổi sáng se lạnh, bạn có thể rúc mình dưới chăn lông vũ hoặc bật dậy và tận hưởng một ngày mới.

Tuy nhiên, đối với các loài thực vật quang hợp, kiểu bình minh như thế này tiềm ẩn nguy hiểm, vì vậy chúng đã tiến hóa theo cách riêng của chúng để làm cho buổi sáng lạnh giá có thể chịu đựng được.

Nghiên cứu do Trung tâm John Innes dẫn đầu đã phát hiện ra một cơ chế "đối phó" với giá lạnh nằm dưới sự kiểm soát của đồng hồ sinh học thực vật và có thể đưa ra các giải pháp để tạo ra khả năng phục hồi tốt hơn cho các loại cây trồng ít phù hợp với khí hậu lạnh.

Giáo sư Antony Dodd, trưởng nhóm tại Trung tâm John Innes, cho biết: "Chúng tôi đã xác định được một quy trình mới giúp thực vật chịu lạnh. Quá trình này được kiểm soát bởi đồng hồ sinh học của thực vật và chúng tôi nghĩ rằng nó có thể đặc biệt quan trọng vào những buổi sáng lạnh giá".

Ông tiếp tục cho biết: “Các loại cây trồng vào mùa đông như lúa mì và cây cải dầu trải qua nhiệt độ lạnh trong thời gian canh tác của chúng. Chúng tôi nghĩ rằng cơ chế mà chúng tôi khám phá ra có thể mang lại khả năng phục hồi quang hợp tốt hơn với nhiệt độ lạnh. Nó đại diện cho một mục tiêu thú vị để nhân giống chính xác các loại cây trồng có khả năng chống chịu khí hậu trong tương lai".

Nhiệt độ lạnh có thể gây hại tế bào thực vật, đặc biệt khi kết hợp với quá nhiều ánh sáng hoặc trong nhiệt độ đóng băng. Do đó tại sao những buổi sáng lạnh giá đó lại rất nguy hiểm đối với thực vật.

Các nhà nghiên cứu muốn biết làm thế nào thông tin về nhiệt độ thấp được truyền đến lục lạp, vị trí quang hợp bên trong tế bào thực vật thì rất cần thiết cho tất cả các loại cây trồng chính của chúng ta.

Lục lạp chứa bộ gen nhỏ của riêng chúng phản ánh quá khứ tiến hóa của chúng với tư cách là vi khuẩn quang hợp, trước khi chúng bị thực vật nuốt chửng và đồng thời được chọn để thực hiện quá trình quang hợp. Trong suốt quá trình tiến hóa, nhiều gen từ lục lạp được chuyển đến bộ gen nhân thực vật, nhưng lục lạp đã giữ một số gen thiết yếu.

Trong nghiên cứu này, nhóm đã tập trung vào một di sản di truyền của vi khuẩn được gọi là yếu tố sigma (SIG5). Ở vi khuẩn, các yếu tố sigma có thể so sánh góp phần phản ứng với nhiệt độ.

Trong các thí nghiệm được tiến hành với các điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát, họ đã điều khiển các điều kiện ánh sáng và khiến thực vật phải trải qua thời kỳ lạnh giá.

Loại bỏ thực vật khỏi chu kỳ ngày đêm cho phép các nhà khoa học nghiên cứu tốt hơn nhịp điệu hoạt động tự do của đồng hồ sinh học của thực vật. Ở thực vật, cũng như ở người, đồng hồ được căn chỉnh theo chu kỳ 24 giờ, cung cấp thước đo thời gian bên trong tế bào và điều chỉnh một loạt các quá trình sinh học thiết yếu.

Các thí nghiệm cho thấy độ nhạy cảm của gen SIG5 đối với việc xử lý lạnh vào sáng sớm, dưới sự kiểm soát của đồng hồ sinh học.

Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng SIG5 hoạt động như một phần của mạng tín hiệu liên kết nhân thực vật với lục lạp, điều chỉnh các hoạt động có thể bảo vệ thực vật khỏi các tác động có hại của môi trường.

Giáo sư Dodd giải thích: “Nếu nhiệt độ lạnh thì một số enzym tham gia vào quá trình quang hợp sẽ bị phá vỡ nhanh chóng. Vì vậy, chúng tôi nghĩ rằng quá trình được kiểm soát bởi hạt nhân truyền tín hiệu vào lục lạp để tạo ra nhiều protein hơn. Khi thực vật đồng thời nhận thấy lạnh và ánh sáng, chúng cần bật tín hiệu quá trình truyền tín hiệu này từ nhân sang lục lạp để tạo ra nhiều protein quang hợp này hơn”.

Vai trò của đồng hồ sinh học là hoạt động giống như một cánh cổng cho phép tín hiệu đi qua hoặc không, một quá trình được gọi là kiểm soát sinh học.

"Thực vật có thể đã tiến hóa để phản ứng đặc biệt với ánh sáng và lạnh, chẳng hạn như một buổi sáng mùa xuân, bởi vì đây là những điều kiện gây hại cho hệ thống quang hợp. Tại một số thời điểm trong quá trình tiến hóa, chúng đã lựa chọn độ nhạy cảm và đồng chọn loại cơ chế cổ điển này. Giống như nhiều quá trình như vậy ở thực vật, quá trình này hóa ra nằm dưới sự kiểm soát của đồng hồ sinh học".

Cơ chế đã được chứng minh là hoạt động trong phòng thí nghiệm. Giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu này là tìm hiểu tác động của quá trình. Một ứng dụng hấp dẫn là xem liệu cơ chế này có thể được sửa đổi để tăng thêm khả năng chịu lạnh hay không, ví dụ để trồng các loại cây chịu lạnh kém hơn, chẳng hạn như ngô, ở các vĩ độ phía bắc hơn.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org