Cách thức một “bộ điều nhiệt” nội tại của cây giúp định hướng sự phát triển của rễ trong điều kiện nhiệt độ khó đoán

Cây con phát triển thân dài hơn trong điều kiện ấm (warmer) hơn thông qua một quá trình phụ thuộc vào auxin và hoạt động của các yếu tố đáp ứng auxin (ARFs). Nguồn: Viện Salk.

Thực vật không thể di chuyển để tránh nóng như con người; chúng buộc phải thích nghi. Khi nhiệt độ biến động, một chiến lược sống còn quan trọng là khả năng rễ tiếp tục phát triển, giúp cây tiếp cận nguồn nước và dinh dưỡng ở xa hơn trong đất. Nhưng thực vật cảm nhận nhiệt độ như thế nào và chuyển hóa tín hiệu đó thành tăng trưởng ra sao? Các nhà khoa học tại Viện Salk đã tìm ra một câu trả lời mới trong một hormone quen thuộc của thực vật: auxin. Nghiên cứu của họ được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Auxin là trung tâm điều hòa sinh trưởng của thực vật, kiểm soát từ sự kéo dài tế bào đến sự phát triển của rễ và thân. Tuy nhiên, trọng tâm của nghiên cứu này không chỉ là auxin—mà là các protein “đối tác” của auxin đóng vai trò như “bộ điều nhiệt” nội tại của cây. Những protein này trực tiếp cảm nhận nhiệt độ, sau đó thay đổi chương trình di truyền để điều chỉnh sự phát triển của rễ cho phù hợp.

Những phát hiện này có thể được ứng dụng trong tương lai nhằm tạo ra các giống cây trồng có khả năng chịu được nhiệt độ khắc nghiệt hơn.

Lucia Strader, tiến sỹ, tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư Sinh học thực vật tại Viện Salk cho biết “Đã từ lâu người ta biết rằng thực vật sinh trưởng với tốc độ khác nhau ở các mức nhiệt độ khác nhau. Hiện nay, chúng tôi đã phát hiện ra loại protein có thể trực tiếp cảm nhận nhiệt độ và điều chỉnh sự phát triển của rễ tương ứng. Đây là một bước tiến lớn trong việc hiểu cách thực vật tích hợp các tín hiệu môi trường vào quá trình sống”.

Một tín hiệu tăng trưởng với “bài toán Goldilocks”

Auxin là chất điều hòa chủ chốt của sự sinh trưởng thực vật - nhưng nó cũng giống như câu chuyện Goldilocks (cái gì cũng phải “vừa đủ”). Strader giải thích rằng: “Nồng độ auxin phải ở mức phù hợp, vì quá ít hoặc quá nhiều đều có thể ức chế sinh trưởng”.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học cho rằng nhiệt độ ảnh hưởng đến sinh trưởng thực vật chủ yếu bằng cách thay đổi mức hormone như auxin. Người ta đã biết rằng nhiệt độ cao làm tăng cả hàm lượng auxin và sự phát triển của rễ - nhưng điều này tạo ra một nghịch lý, vì nồng độ auxin cao thường làm chậm sự kéo dài của tế bào rễ.

Vậy còn yếu tố nào khác kiểm soát sự phát triển của rễ theo nhiệt độ?

“Bộ điều nhiệt” nội tại và “kho dự trữ protein” trong tế bào thực vật

Auxin hoạt động thông qua các yếu tố phiên mã đáp ứng auxin (ARFs), là các protein điều hòa biểu hiện của các gen sinh trưởng. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng chính các ARFs này có thể trực tiếp cảm nhận nhiệt độ.

Ở nhiệt độ thấp, các ARFs được lưu trữ trong các cụm không hoạt động bên trong tế bào, giống như một “kho dự trữ”. Khi nhiệt độ tăng, các protein này trở nên hòa tan hơn, tách khỏi các cụm và di chuyển vào nhân tế bào, nơi chúng kích hoạt các gen liên quan đến sinh trưởng.

Edward Wilkinson, tiến sỹ, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “Bạn có một nguồn dự trữ protein có thể được kích hoạt tùy theo môi trường, và nhiệt độ cho phép tế bào chuyển nhiều protein hơn sang dạng hoạt động. Chúng tôi cho rằng điều này liên quan đến đặc tính của chính protein - ở nhiệt độ cao hơn, nó ổn định và hòa tan tốt hơn, do đó có thể tích lũy và thúc đẩy phản ứng với nhiệt độ”.

Hệ thống này cho phép thực vật phản ứng nhanh với thay đổi môi trường bằng cách phân bố lại các protein sẵn có thay vì phải tổng hợp protein mới.

Katelyn Sageman-Furnas, tiến sỹ, đồng tác giả cho biết: “Bạn có thể hình dung đây như một ‘bộ điều nhiệt’ tích hợp trong tế bào - một cách rất thông minh để điều hòa sinh trưởng”. Hệ thống động này mang lại lợi thế lớn cho thực vật: Thay vì phải tạo mới protein từ đầu, chúng có thể nhanh chóng điều chỉnh sinh trưởng bằng cách tái phân bố các protein hiện có.

Tại sao việc cảm nhận nhiệt độ lại quan trọng đối với cây trồng?

Hiểu được cách thực vật cảm nhận và phản ứng với các yếu tố môi trường ngày càng quan trọng đối với nông nghiệp.

Khả năng xác định các thành phần phân tử đóng vai trò như cảm biến nhiệt độ và chất hoạt hóa protein mở ra khả năng thiết kế các giống cây trồng vẫn có thể sinh trưởng trong điều kiện nhiệt độ cao.

Vì sự phát triển của rễ là yếu tố thiết yếu để hấp thu nước và dinh dưỡng, đặc tính này có thể giúp bảo vệ năng suất cây trồng trong điều kiện bất lợi.

Hợp tác quốc tế trong nghiên cứu

Nghiên cứu của Viện Salk được công bố đồng thời với một nghiên cứu bổ sung từ phòng thí nghiệm của Jorge Casal tại Viện Sinh lý và Sinh thái cây nông nghiệp (IFEVA), Đại học Buenos Aires.

Sau khi gặp nhau tại một hội nghị, Strader và Casal đã quyết định xây dựng các kế hoạch nghiên cứu riêng biệt nhưng cùng chung mục tiêu: làm rõ cách thực vật chuyển đổi tín hiệu môi trường thành sinh trưởng.

“Khám phá này thể hiện tinh thần hợp tác của Viện Salk và cách văn hóa của chúng tôi khuyến khích các mối quan hệ trong và ngoài tổ chức,” Strader cho biết. “Sự hợp tác giúp tối ưu nguồn lực, đưa chúng tôi đến gần hơn với việc hiểu tín hiệu của thực vật mà không cạnh tranh hay lãng phí thời gian và chi phí”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org