Bằng cách nào thực vật tối ưu hóa quá trình quang hợp trong điều kiện ánh sáng thay đổi

Đối với nghiên cứu, thực vật thường được trồng dưới điều kiện ánh sáng ổn định, mà không phản ánh những điều kiện tự nhiên. Trong một loạt thí nghiệm với sự thay đổi điều kiện ánh sáng, mô phỏng sự tương tác tự nhiên giữa ánh sáng và bóng tối, các nhà nghiên cứu từ Viện Sinh lý học Thực vật Phân tử Max Planck ở Potsdam-Golm (Đức) và Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Đại học Bang Michigan (Mỹ) tiết lộ tầm quan trọng của hai loại protein then chốt đối với sự kiểm soát hoạt động của quá trình quang hợp.

Cây mô hình Arabidopsis thaliana.

Thực vật thực hiện quá trình quang hợp để sinh trưởng, phát triển. Trong quá trình này, chúng sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời, giải phóng oxy và tạo ra carbohydrate, đây là nguồn thức ăn cơ bản cho tất cả con người và hầu hết các loài động vật trên trái đất. Trong điều kiện tự nhiên, lượng ánh sáng có thể thay đổi nhanh chóng trong thời gian rất ngắn. Một trong những lý do chính là những đám mây cung cấp ánh sáng và bóng tối khi chúng đi qua phía trước mặt trời. Lá và cành cây cũng có thể tạm thời cung cấp bóng râm khi chúng bị gió làm di chuyển. Thực vật không thể chuyển từ bóng râm ra ánh nắng khi ánh sáng bị hạn chế và ngược lại, không thể lẩn trốn từ nắng sang bóng râm khi tiếp xúc với quá nhiều ánh sáng mặt trời. Chúng phải phản ứng với việc thay đổi điều kiện ánh sáng theo những cách khác.

Cũng giống như đối với loài người, quá nhiều ánh sáng mặt trời thì có hại cho thực vật. Đặc biệt, sự thay đổi nhanh chóng giữa ánh sáng mờ và cường độ cao là một vấn đề. Giống như võng mạc trong mắt chúng ta, thực vật sử dụng các phân tử trong lá của chúng để thu giữ các hạt ánh sáng. Khi ánh sáng yếu, những bẫy ánh sáng này rất hiệu quả trong việc thu được càng nhiều ánh sáng yếu càng tốt. Nếu điều kiện ánh sáng đột ngột thay đổi, quá nhiều năng lượng ánh sáng có thể chiếu tới cây. Năng lượng này có thể làm quá tải hoặc làm hỏng bộ máy quang hợp nhạy cảm bên trong tế bào thực vật. Theo đó, thực vật phải liên tục điều chỉnh hoạt động quang hợp của chúng với các điều kiện môi trường để một mặt thu được năng suất ánh sáng tối đa nhưng mặt khác lại tránh bị tổn hại bởi quá nhiều ánh sáng.

Cho đến nay, cây trồng trong nhà kính và phòng thí nghiệm hầu như chỉ được trồng trong điều kiện ánh sáng ổn định và đồng đều. Do đó, sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của sự thích ứng với các điều kiện ánh sáng thay đổi là rất hạn chế. Trong trường hợp xấu nhất, điều này có thể dẫn đến việc cây trồng đang phát triển tốt trong phòng thí nghiệm và nhà kính nhưng đột nhiên hoạt động kém hơn nhiều so với dự kiến khi được trồng trên đồng ruộng.

Điều hòa quang hợp trong điều kiện ánh sáng thay đổi

Các nhà nghiên cứu từ Viện Sinh lý học Thực vật Phân tử Max Planck ở Potsdam-Golm và David Kramer từ Trường Khoa học Tự nhiên tại Đại học Bang Michigan (Mỹ) đã sử dụng cây mô hình Arabidopsis thaliana cho nghiên cứu của họ. Cây được trồng trong nhiều điều kiện khác nhau bao gồm ánh sáng tĩnh, dao động và tự nhiên. Nghiên cứu tập trung vào hai protein vận chuyển ion có tên là VCCN1 và KEA3 đóng vai trò chính trong việc điều chỉnh linh hoạt hiệu suất quang hợp. Từ các nghiên cứu trước đây, người ta biết rằng VCCN1 kích hoạt khả năng chống nắng nếu ánh sáng đột ngột trở nên quá mạnh. Khi cường độ ánh sáng giảm đi, protein thứ hai KEA3 sẽ nhanh chóng phá vỡ lớp chống nắng này để cây có thể đón nhiều ánh sáng trở lại. Tuy nhiên, hai protein VCCN1 và KEA3 chưa từng được kiểm tra trong điều kiện ánh sáng thực tế.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp mới đầy sáng tạo để đo lường quá trình quang hợp kết hợp với việc sử dụng có mục tiêu loại bỏ gen - tức là thực vật có gen VCCN1 và KEA3 đã bị tắt. Họ chỉ ra rằng hoạt động của các protein VCCN1 và KEA3 phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng mà thực vật được nuôi dưỡng. Theo đề xuất của người đứng đầu Nhóm Cơ sở hạ tầng Trồng trọt Thực vật, tiến sỹ Karin Köhl, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào hai yếu tố ánh sáng liên quan đến sự tăng trưởng trong phân tích và có thể chỉ ra rằng cả lượng ánh sáng mà cây nhận được và tần số dao động của ánh sáng đều có ảnh hưởng mạnh mẽ đến chức năng của hai chất vận chuyển ion. Chức năng bảo vệ của VCCN1 chỉ quan trọng ở những cây trước đây được trồng dưới ánh sáng yếu. Mặt khác, KEA3 loại bỏ sự bảo vệ, thậm chí còn hoạt động trong chu kỳ ánh sáng mạnh khi cây được trồng trong điều kiện có cường độ ánh sáng cao.

Khả năng chống nắng cũng phụ thuộc vào mức độ dao động ánh sáng mà cây tiếp xúc. Khi điều kiện ánh sáng thay đổi đáng kể, thực vật sẽ tạo ra sắc tố màu cam zeaxanthin, sắc tố này cũng tham gia vào quá trình bảo vệ khỏi ánh nắng mặt trời. Việc sản xuất kem chống nắng này cũng bị KEA3 ngăn chặn trong điều kiện ánh sáng cao. Tác giả chính của nghiên cứu Thekla von Bismarck cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng chúng ta không nên xem xét riêng biệt tác động của ánh sáng tăng trưởng và phản ứng nhanh với sự dao động của ánh sáng. Việc tích hợp nhiều thang đo thời gian và mức độ trao đổi chất theo cách ngày càng phức tạp sẽ là một thách thức lớn trong tương lai đối với nghiên cứu cây trồng. Điều này sẽ cung cấp những ý tưởng chính để cải thiện năng suất cây trồng trên đồng ruộng”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.