Cắt giảm một loại `siêu chất béo` có thể giúp thực vật sống sót qua biến đổi khí hậu

Donghee Hoh sử dụng thiết bị MultispeQ để đo đạc trên cây đậu đũa. Nguồn: Kara Headley/Michigan State University.

Biến đổi khí hậu không chỉ đơn giản là hiện tượng nóng lên toàn cầu. Các đợt lạnh cũng có thể đạt mức thấp bất thường và sự dao động giữa ấm và lạnh đang ngày càng trở nên cực đoan.

Ngay cả khi giảm một vài độ cũng có thể gây khó khăn cho sự phát triển của cây. Nếu sự thay đổi nhiệt độ trở nên quá lớn ngoài khoảng chịu đựng của cây, điều đó có nghĩa là thức ăn cung cấp trên hành tinh cũng sẽ ít đi. Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu trên toàn cầu đang làm việc để xây dựng khả năng phục hồi của cây.

David Kramer, Đại học Bang Michigan, quan tâm đến khả năng phục hồi của cây vì nó liên quan đến quang hợp khi thực vật được cung cấp năng lượng từ mặt trời và đặc biệt nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ.

Giáo sư Kramer, Đại học Khoa học Tự nhiên tại MSU, cho biết: "Một trong những câu hỏi lớn nhất hiện nay đó là tìm cách tốt nhất để làm cho thực vật có khả năng chống chịu tốt hơn. Đây là điều chúng ta cần giải quyết bởi vì sự biến đổi khí hậu đang diễn ra quá nhanh. Chúng tôi nghĩ rằng thiên nhiên đã tìm ra rất nhiều giải pháp và chúng ta chỉ cần tìm ra cách thức mà chúng hoạt động".

Kramer và các đồng nghiệp của ông hiện đã phát hiện ra một giải pháp tiềm năng từ một loại axit béo duy nhất có tác động sâu sắc đến cách các cây đậu đũa khác nhau chịu được lạnh. Các nhà nghiên cứu đã công bố công trình của họ trực tuyến ngày 16 tháng 3 trên tạp chí Plant, Cell & Environment.

Phát hiện này có thể giúp một số loại cây trồng phát triển được ở nhiều nơi hơn, cho phép chúng chịu đựng ở nhiều điều kiện khác nhau. Nó cũng có khả năng giúp những người nông dân muốn vào vụ sản xuất sớm hơn, giúp họ có thể thu hoạch trước khi những bất lợi nghiêm trọng nhất từ nắng nóng và sâu bệnh vào mùa hè xảy ra.

Thật bất ngờ khi những khả năng này bắt nguồn từ một axit béo duy nhất.

Tác giả chính của nghiên cứu này, Donghee Hoh, một cộng sự nghiên cứu tại phòng thí nghiệm của Kramer, cho biết: “Chúng tôi không bao giờ mong đợi rằng một axit béo có thể là một yếu tố chính. Đó là bởi vì thực vật sử dụng vô số các axit béo để giúp điều chỉnh các quá trình quan trọng trong sứ mệnh, đặc biệt là quá trình quang hợp”.

Trình tự hình ảnh này cho thấy các loại cây đậu đũa khác nhau đã được tô màu sai để hiển thị hiệu quả quang hợp khác nhau của chúng trong phản ứng chịu lạnh. Màu lạnh (green và blues) cho thấy khi cây ít hiệu quả hơn và màu nóng hơn (màu vàng và cam) tương ứng với hiệu quả cao hơn. Nguồn: hoh et al.

Kramer, người làm việc tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thực vật MSU-DOE, được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, cho biết: “Các nhà khoa học đã nghiên cứu những axit béo này trong nhiều thập kỷ và chúng tôi vẫn không biết tại sao thiên nhiên lại tạo ra nhiều axit béo này”.

Các báo cáo cơ bản cho rằng tỷ lệ giữa axit béo bão hòa và axit béo không bão hòa trong lục lạp của thực vật đã xác định cách thực vật hoạt động trong điều kiện nhiệt độ giảm.

Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra một "siêu chất béo" duy nhất lại đóng một vai trò quan trọng như vậy, Hoh nói. Nó chỉ ra rằng thực vật có ít axit béo này đã làm tốt hơn trong việc hạ nhiệt độ so với thực vật có nhiều hơn.

Để thực hiện nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu cần thực hiện rất nhiều phép đo khác nhau đối với nhiều loại cây khác nhau.

“Một trong những điều thú vị nhất về nghiên cứu của chúng tôi là bản thân cách tiếp cận, khá khác biệt so với các phương pháp truyền thống”, Hoh nói.

Một phương pháp truyền thống đã được thử nghiệm liên quan đến cái được gọi là loại bỏ gen. Tại đây, các nhà khoa học loại bỏ hoặc nói cách khác là làm "im lặng" gen của thực vật để kiểm tra hoặc xác định chức năng của nó.

Mặc dù đơn giản hóa quá mức của một kỹ thuật hiệu quả, nhưng nó giúp minh họa ra những hạn chế. Việc này giống như cắt một sợi dây trong xe ô tô để xem liệu nó có tạo ra sự khác biệt trong việc điều khiển và xử lý của chiếc xe hay không, Kramer nói.

Nghiên cứu cho thấy hiểu biết về một loại axit béo có trong cây đậu mắt đen có thể giúp phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn với sự thay đổi của nhiệt độ. Nguồn: Toby Hudson/Wikimedia Commons.

Những gì Hoh, Kramer và các đồng nghiệp của họ đã làm rất khác biệt. Nó giống như lấy các bộ phận từ một đội xe khác nhau, sau đó kết hợp chúng theo những cách khác nhau để tìm ra cách sắp xếp nào mang lại khả năng xử lý tốt nhất.

Để làm được điều này, họ bắt đầu lai tạo hai giống đậu đũa khác nhau, còn được gọi là đậu mắt đen. Một giống đậu đũa được trồng ở Cameroon, ngay phía bắc của đường xích đạo trên bờ biển phía tây của châu Phi. Loại còn lại được trồng ở California, nơi xa đường xích đạo hơn, nó đã thích nghi để sống trong khí hậu có thể trở nên lạnh hơn.

Một số con lai kém hơn trong việc duy trì quang hợp ở nhiệt độ thấp hơn so với bố mẹ của chúng, nhưng một số lại tốt hơn. Bằng cách đo lường các khả năng quang hợp khác nhau cùng với sự di truyền khác nhau và hàm lượng axit béo khác nhau trong mỗi loại thực vật, nhóm nghiên cứu có thể xác định chính xác loại "siêu béo".

Hoh cho biết: “Chúng tôi không chỉ tìm thấy chất béo cụ thể ảnh hưởng đến độ nhạy cảm với lạnh mà còn cả các gen điều chỉnh chất béo này, giúp chúng tôi tiến một bước gần hơn đến các loài thực vật có khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu”.

Để chứng minh cho tuyên bố đó, nhóm nghiên cứu đã chuyển sang một loài thực vật khác được gọi là Arabidopsis. Với kiến thức mới này trong tay, họ đã lai tạo các cây Arabidopsis để có nhiều hơn hoặc ít axit béo hơn bình thường. Ở cây Arabidopsis cũng vậy, cây càng có ít axit béo thì phản ứng của nó với lạnh càng tốt.

Việc thực hiện tất cả các thí nghiệm và phép đo này đòi hỏi các công cụ tiên tiến và sự hợp tác của nhiều nhà khoa học. Tham gia với nhóm của Kramer có phòng thí nghiệm của Giáo sư Christoph Benning, Quỹ MSU, giám đốc Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Thực vật MSU-DOE. Nhóm của Kramer có nhiều kinh nghiệm nghiên cứu quá trình quang hợp - và phát triển các công cụ mới cần thiết để làm điều đó - trong khi nhóm của Benning là các chuyên gia về axit béo thực vật.

Kramer nói: “Công việc này được thực hiện nhờ các công cụ mà phòng thí nghiệm đã xây dựng và chuyên môn của những người như Donghee để thực hiện các phép đo. Điều này sẽ không xảy ra nếu không đặt tất cả các yếu tố đó lại với nhau".

Câu hỏi vẫn là tại sao axit béo đặc biệt này lại có lợi cho thực vật, điều này nhấn mạnh một điểm mà Kramer đưa ra trước đó. Tự nhiên đã phát triển một số giải pháp rất ấn tượng, bây giờ các nhà khoa học chỉ cần tìm ra chúng.

Đinh Thị Lam theo Phys.org