Căng thẳng nhiệt: tín hiệu cấu trúc dạng 'ngón tay' kích hoạt các chương trình khẩn cấp trong thực vật

Thực vật phản ứng tích cực với stress: "Nhà máy năng lượng mặt trời" của tế bào thực vật kích hoạt các chương trình bảo vệ đảm bảo sự sống sót của cây trong điều kiện môi trường thay đổi. 

Thực vật chống chọi với sức nóng: Nếu thực vật bị căng thẳng (stress) do nắng nóng hoặc hạn hán, các cấu trúc nhô ra sẽ hình thành bên trong tế bào để kích hoạt các chương trình bảo vệ. Nguồn: Toranj Rahpeyma, KIT.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã làm sáng tỏ cơ chế phản ứng của tế bào thực vật trước các điều kiện stress. Khi nguồn cung cấp năng lượng của tế bào bị gián đoạn do nhiệt độ cao, hạn hán hoặc đất nhiễm mặn, các lục lạp (chloroplast) – bào quan đảm nhiệm chức năng quang hợp và chuyển hóa năng lượng – sẽ phát đi tín hiệu cảnh báo nội bào thông qua việc hình thành các cấu trúc nhỏ dạng ngón tay (finger-like projections). Tín hiệu này kích hoạt có chọn lọc các chương trình bảo vệ của tế bào, góp phần hạn chế những tổn thương do stress gây ra. Kết quả nghiên cứu lần đầu tiên làm rõ chức năng của các cấu trúc vốn trước đây chưa được hiểu rõ này, đồng thời mở ra hướng tiếp cận mới trong việc nâng cao khả năng chống chịu của cây trồng trước các điều kiện bất lợi do biến đổi khí hậu.

Mỗi tế bào thực vật đều chứa lục lạp, hoạt động như những nhà máy điện mặt trời thu nhỏ. Những cấu trúc nhỏ bé này là trung tâm năng lượng xanh của tế bào thực vật. Bằng cách hấp thụ ánh sáng mặt trời và loại bỏ carbon dioxide từ không khí, chúng tạo ra đường – nguồn năng lượng mà mọi thực vật cần để sinh trưởng và tồn tại. Nếu không có những “nhà máy điện mặt trời” này, thực vật sẽ không thể sản xuất năng lượng và do đó không thể đóng vai trò là nguồn thức ăn cho các sinh vật khác. Một hệ quả khác là lượng oxy thải ra khí quyển sẽ giảm đi.

Bảo vệ chống lại nắng nóng, hạn hán hoặc muối.

Nếu cây trồng bị căng thẳng, ví dụ như do thiếu nước hoặc nhiệt độ cao, như tình trạng hiện nay ở Đức và Trung Âu, hoặc do đất nhiễm mặn, hệ thống năng lượng nhạy cảm này sẽ mất cân bằng. Các chất gây hại sẽ hình thành, có thể ảnh hưởng và làm tổn thương các bộ phận quan trọng của tế bào. Để tồn tại, cây cần phản ứng nhanh chóng và kích hoạt các biện pháp bảo vệ.

Trong tình huống căng thẳng này, lục lạp phản ứng bằng cách hình thành các "ngón tay" mà các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu gần đây. Họ tiết lộ rằng những cấu trúc này gửi tín hiệu đến trung tâm điều khiển của tế bào. Giáo sư Peter Nick từ Viện Thực vật học của KIT cho biết: "Các gen cụ thể được kích hoạt hoặc vô hiệu hóa, điều này kích hoạt các chương trình bảo vệ hỗ trợ các khu vực bị tổn thương". 

Chức năng của một cấu trúc bị bỏ qua từ lâu đã được giải mã

Nick giải thích, Các cấu trúc này đã được Gottlieb Haberlandt, một nhà sinh lý học thực vật giảng dạy tại Berlin, mô tả cách đây hơn 130 năm, nhưng sau đó bị lãng quên và chỉ được các nhà nghiên cứu Mỹ tái phát hiện vào những năm 1990. “Khi đó, các nhà nghiên cứu cho rằng những 'stromule' này kết nối các trạm năng lượng mặt trời khác nhau trong tế bào. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi hiện cho thấy chức năng quan trọng nhất của chúng không phải là trao đổi chất, mà là truyền tải thông tin nội bào”.

Phương pháp tiếp cận để phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu biến đổi khí hậu tốt hơn

Khám phá này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh khủng hoảng khí hậu đang khiến thực vật ngày càng chịu nhiều áp lực. “Chúng tôi chứng minh rằng cơ chế cảnh báo này có thể được tác động một cách có mục tiêu. Chúng tôi đã xác định được các yếu tố phân tử giúp đẩy nhanh quá trình hình thành các ‘ngón tay’ và làm cho chúng hiệu quả hơn”, Nick cho biết. Về lâu dài, sẽ xuất hiện những cơ hội mới cho nông nghiệp tập trung vào việc xác định các giống cây hoang dã có khả năng chịu đựng áp lực tốt. “Có lẽ những đặc tính này có thể được chuyển giao cho cây trồng trong tương lai để bảo vệ chúng tốt hơn trước nắng nóng, hạn hán hoặc đất nhiễm mặn”, Nick nói. 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Công nghệ Karlsruhe.