Bước đột phá cho phép các nhà khoa học quan sát thực vật “thở” trong thời gian thực

Từ lâu, các nhà khoa học đã hiểu rằng thực vật hấp thụ không khí thông qua những lỗ nhỏ li ti trên lá được gọi là khí khổng. Những lỗ siêu nhỏ này hoạt động như các van điều chỉnh, cho phép khí carbon dioxide đi vào lá để quang hợp, đồng thời để hơi nước thoát ra ngoài không khí. Cho đến nay, việc theo dõi sát sao quá trình cân bằng này ngay khi nó đang diễn ra vẫn là một thử thách cực kỳ khó khăn.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign hiện đã tạo ra một hệ thống mới giúp hiện thực hóa điều này. Nghiên cứu của họ, được công bố trên tạp chí Plant Physiology, đã giới thiệu một công cụ có tên là 'Stomata In-Sight'. Công cụ này đã vượt qua một trở ngại lớn trong khoa học thực vật bằng cách cho phép các nhà khoa học quan sát những chuyển động nhỏ nhất của khí khổng, đồng thời đo lường chính xác lượng khí mà lá cây đang trao đổi với khí quyển trong các điều kiện được kiểm soát chặt chẽ.

Việc thấu hiểu quá trình này là yếu tố cốt lõi để phát triển những giống cây trồng có thể sinh trưởng với ít nước hơn mà vẫn đảm bảo sản lượng lương thực, nhiên liệu sinh học và các sản phẩm sinh học, đặc biệt là ở những vùng đang đối mặt với hạn hán. Như nhóm nghiên cứu đã giải thích: “Từ trước đến nay, chúng ta thường phải lựa chọn giữa việc quan sát khí khổng hoặc là đo lường chức năng của chúng”. Các phương pháp tiếp cận trước đây thường dựa vào việc lấy dấu lá, điều này chỉ cho thấy một khoảnh khắc bị “đóng băng” tại một thời điểm nhất định. Những phương pháp khác thì sử dụng kính hiển vi tiêu chuẩn có thể quan sát được lá nhưng lại không thể kiểm soát được môi trường xung quanh. Hạn chế này rất quan trọng vì khí khổng phản ứng cực kỳ nhanh chóng với những thay đổi về ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ carbon dioxide.

Hệ thống 'Stomata In-Sight' mới đã kết hợp ba công nghệ tiên tiến vào trong cùng một thiết lập duy nhất: (1) Hiển vi đồng tiêu trực tiếp: Phương pháp chẩn đoán hình ảnh dựa trên tia laser này tạo ra những hình ảnh ba chiều sắc nét về các tế bào thực vật đang sống mà không cần phải cắt vào mô lá; (2) Đo lường sự trao đổi khí ở lá: Các thiết bị có độ nhạy cao sẽ theo dõi chính xác lượng CO2 mà lá hấp thụ và lượng hơi nước mà nó giải phóng ra ngoài; (3) Kiểm soát môi trường: Một khoang chuyên dụng cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh chính xác ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và nồng độ carbon dioxide để mô phỏng các điều kiện sinh trưởng trong thế giới thực. Bằng cách kết hợp các công cụ này, các nhà khoa học có thể quan sát trực tiếp cách khí khổng phản ứng khi các điều kiện môi trường thay đổi, mang lại một cái nhìn theo thời gian thực về những phản ứng của thực vật mà trước đây chưa từng thực hiện được.

Cái nhìn chi tiết về chức năng của thực vật này có thể định hình lại cách thức chọn tạo giống cây trồng. Bằng cách xác định chính xác các tín hiệu vật lý và hóa học điều khiển khí khổng khi nào nên đóng hoặc mở, cũng như hiểu được mật độ khí khổng ảnh hưởng đến hành vi này như thế nào, các nhà nghiên cứu có thể nhận diện các đặc điểm di truyền liên quan đến những loài thực vật 'thông minh hơn' - đó là những giống cây trồng sử dụng nước hiệu quả nhất. Điều này đặc biệt quan trọng vì nguồn nước khả dụng là rào cản môi trường lớn nhất đối với sản xuất nông nghiệp. Việc cải thiện hiệu quả sử dụng nước có thể giúp cây trồng chống chịu tốt hơn với tình trạng căng thẳng do nhiệt độ cao và hạn hán ngày càng gia tăng.

Trần Hồng Anh - Hcmbiotech, theo Sciencedaily.