Các loài cây mọng nước như những mô hình mẫu: Những cơ hội mới cho thực vật trong điều kiện hạn hán?

Tái sinh cây Kalanchoë laxiflora trong nuôi cấy mô. Phương pháp này được phát triển để biến đổi gen loài cây mọng nước mẫu này phục vụ mục đích nghiên cứu. Nguồn: Heike Lindner.

Quản lý nước như một loài cây mọng nước: một nhóm nghiên cứu do Đại học Bern dẫn đầu đã giải mã được cơ chế mà một loài cây mọng nước không mấy nổi bật điều chỉnh sự hấp thụ carbon dioxide qua bề mặt lá một cách tinh tế đến mức nó nhận đủ nước cho quá trình quang hợp mà không mất quá nhiều nước – và do đó có thể tiết kiệm nước hiệu quả. Phát hiện này có thể được áp dụng cho cây trồng để tăng khả năng chống hạn và đảm bảo năng suất trong điều kiện nắng nóng và hạn hán.

Thực vật sử dụng quang hợp để tổng hợp các chất giàu năng lượng như carbohydrate bằng cách sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide (CO₂), những chất cần thiết cho sự sinh trưởng và trao đổi chất. Trong khi nước được hệ rễ của cây hấp thụ, CO₂ phải được hấp thụ từ khí quyển. Để làm được điều này, cây mở các lỗ khí nhỏ trên bề mặt lá, cho phép CO₂ đi vào, nhưng điều này cũng dẫn đến sự mất nước ra bên ngoài – tương tự như việc đổ mồ hôi ở người. Do đó, thực vật phải điều chỉnh các lỗ khí của chúng để có đủ CO₂ cho quá trình quang hợp mà không mất quá nhiều nước – đây là một thách thức đặc biệt trong điều kiện nóng và khô. Một số loại cây, chẳng hạn như cây mọng nước, đã phát triển các chiến lược để thích nghi với môi trường cực kỳ khô hạn; chúng lưu trữ nước trong các tế bào lớn của lá, thân hoặc rễ dày, mọng nước và không giống như hầu hết các loại cây khác, chúng mở các lỗ khí chuyên biệt để trao đổi khí chủ yếu vào ban đêm, khi nhiệt độ mát hơn và sự mất nước là tối thiểu.

Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học Thực vật và Trung tâm Nghiên cứu Khí hậu Oeschger thuộc Đại học Bern dẫn đầu, hợp tác với Đại học Liverpool, đã sử dụng cây mọng nước lá Kalanchoë laxiflora để chứng minh cách thức các loài cây mọng nước tiết kiệm nước hình thành các khí khổng chuyên biệt của chúng. Nhóm nghiên cứu này từ đó cung cấp cơ sở để chuyển giao các cơ chế tiết kiệm nước như vậy cho cây trồng trong tương lai. Nghiên cứu này gần đây đã được công bố trên tạp chí Science Advances.

Bí quyết của cây mọng nước: Tại sao Kalanchoë laxiflora lại được dùng làm cây mẫu? "Hệ thống mẫu là một sinh vật ví dụ được nghiên cứu kỹ lưỡng – trong trường hợp của chúng tôi là cây mọng nước – có thể được sử dụng để giải mã các cơ chế cơ bản có thể được chuyển giao cho các loại cây khác, chẳng hạn như cây trồng", Xin Cheng, đồng tác giả chính của nghiên cứu và cựu nghiên cứu sinh tiến sỹ tại Viện Khoa học Thực vật thuộc Đại học Bern, giải thích. Heike Lindner, đồng tác giả chính của nghiên cứu từ Viện Khoa học Thực vật và Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi Khí hậu Oeschger thuộc Đại học Bern, bổ sung: "Một khía cạnh quan trọng của Kalanchoë laxiflora là nó tạo hạt trong thời gian tương đối ngắn. Chúng tôi cũng đã giải mã thông tin di truyền của nó và phát triển các phương pháp để thao tác gen trên cây. Điều này làm cho nó trở thành một công cụ lý tưởng để phân tích chi tiết sự phát triển của các cơ chế tiết kiệm nước ở cây mọng nước". Gần đây, Lindner đã được trao tặng Học bổng Khởi nghiệp SNSF cho nghiên cứu về sự phát triển của tính mọng nước của lá và việc thiết lập quá trình quang hợp tiết kiệm nước trong hệ thống mẫu Kalanchoë laxiflora.

Một công tắc gen đóng vai trò quan trọng đối với thực vật có khả năng chống chịu biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào protein MUTE, một công tắc gen kiểm soát cách hình thành các tế bào khí khổng. Cho đến nay, cây cải xoong chủ yếu được sử dụng làm mô hình thực vật kinh điển trong nghiên cứu. "Protein MUTE đảm bảo sự hình thành các tế bào bảo vệ ở cây cải xoong. Ngoài ra, MUTE hạn chế sự phân chia tế bào tiếp theo ở cây cải xoong, từ đó các tế bào hỗ trợ chuyên biệt có thể hình thành", Lindner giải thích. "Tuy nhiên, trong mô hình cây mọng nước Kalanchoë laxiflora của chúng tôi, protein MUTE thúc đẩy sự phân chia tế bào bổ sung, từ đó các tế bào hỗ trợ đặc trưng xuất hiện", Lindner giải thích. "Kết quả của chúng tôi cho thấy các tế bào phụ trợ này tham gia vào quá trình vận chuyển ion và do đó hỗ trợ sự di chuyển của các tế bào bảo vệ và góp phần điều chỉnh sự trao đổi khí", Lindner nói.

Việc kích hoạt quá mức công tắc gen MUTE dẫn đến sự phân chia tế bào bất đối xứng không kiểm soát trên bề mặt lá của cây mọng nước Kalanchoë laxiflora. Nguồn: Miro Läderach.

Chức năng của MUTE trong cây Kalanchoë laxiflora do đó tương tự như ở các loài cỏ, nơi protein này cũng tham gia vào sự hình thành các tế bào hỗ trợ chuyên biệt. Trái ngược với cây mọng nước, cỏ không đóng khí khổng vào ban ngày, nhưng chúng cũng thích nghi tốt với tình trạng thiếu nước. "Kết quả của chúng tôi cho thấy cùng một công tắc gen MUTE góp phần vào sự hình thành các tế bào hỗ trợ ở cả cây mọng nước và cỏ - những loài thực vật có sự tiến hóa khác biệt và có các hình thức quang hợp khác nhau - để giúp khí khổng điều chỉnh sự trao đổi khí một cách hiệu quả về mặt sử dụng nước", Michael Raissig, đồng tác giả của nghiên cứu và giáo sư tại Viện Khoa học Thực vật và Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi Khí hậu Oeschger thuộc Đại học Bern giải thích. Các nhà nghiên cứu diễn giải việc MUTE đảm nhận chức năng mới này ở cây mọng nước và cỏ - trái ngược với cây cải xoong - như một dấu hiệu mạnh mẽ cho thấy công tắc gen này cho phép sự đa dạng về hình thái khí khổng và do đó góp phần trực tiếp vào sự thích nghi với các môi trường sống và nguồn nước khác nhau. Raissig nói thêm: "Chức năng trung tâm và được phát triển độc lập của protein MUTE khiến nó trở thành điểm khởi đầu đặc biệt hứa hẹn để điều chỉnh khí khổng của cây trồng nhằm giúp chúng chống chịu được hạn hán".

Từ cây mọng nước đến đồng ruộng: triển vọng của nông nghiệp

Lindner kết luận: “Những phát hiện thu được từ cây Kalanchoë laxiflora có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong nông nghiệp, vượt xa cả nghiên cứu cơ bản”, Raissig giải thích. Khi đã xác định rõ các gen và loại tế bào nào tạo nên tính mọng nước và từ đó giúp cây tiết kiệm nước, công nghệ lai tạo và công nghệ sinh học có thể tập trung vào việc đưa hoặc tăng cường các đặc điểm tương tự vào cây trồng – ví dụ như ngũ cốc, rau quả hoặc cây thức ăn gia súc. “Nếu chúng ta hiểu được các quá trình này, hệ thống cây mọng nước có thể được thiết lập ở cây trồng. Về lâu dài, những bài học chúng ta học được từ cây mọng nước có thể dẫn đến các giống cây trồng khỏe mạnh hơn, thích nghi với hạn hán, góp phần quan trọng vào an ninh lương thực toàn cầu trong thời kỳ khủng hoảng khí hậu và đồng thời giúp bảo tồn nguồn nước”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Bern.