Chu kỳ ngủ, thức: Thực vật hoạt động trên các múi giờ khác nhau như thế nào?

Chúng ta đều biết rằng con người có đồng hồ sinh học. Khi chúng ta di chuyển quãng đường dài, mọi thứ sẽ bị thay đổi trật tự.

Nhịp điệu dao động hàng ngày được phát hiện đầu tiên ở thực vật vào năm 1729 bằng cách đo nhịp điệu chuyển động của lá cây trinh nữ. Ngày nay, nghiên cứu tại đại học Earlham dẫn đầu bởi nghiên cứu sinh Hannah Rees, đã làm sáng tỏ về cách nhịp dao động làm việc trong các loài cây trồng khác nhau.

Quan trọng hơn, Hannah đã phát triển phương pháp để đo chính xác đồng hồ thực vật trong lúa mì và cây Brassica bằng cách sử dụng “delayed fluorescence”, phương pháp này sẽ rất hữu ích cho các nghiên cứu cải tiến cây trồng trong tương lai.

Hannah Rees với cây lúa mỳ. Ảnh: Đại học Earlham.

“Delayed fluorescence” là ánh sáng được thực vật phát ra sau khi được chiếu sáng, tồn tại trong một thời gian dài khi được đặt trong bóng tối. Bài báo làm sáng tỏ những yếu tố giúp đồng hồ ở cây lúa mì hoạt động và thực vật biểu hiện dấu hiệu lão hóa như thế nào.

Đồng hồ sinh học ở con người đã được biết đến và hiểu rõ ví dụ như sự mệt mỏi và mất ngủ sau khi di chuyển giữa các múi giờ khác nhau. Ngay cả việc thay đổi đồng hồ sau 1 giờ vào mùa hè cũng có thể khiến chúng ta không đồng bộ. Đồng hồ cơ thể của chúng ta mất vài ngày để phục hồi.

Thực vật cũng chịu ảnh hưởng tương tự của việc thay đổi điều kiện ánh sáng, yếu tố dễ điều tra hơn nhờ vào các nghiên cứu gần đây tại đại học Earlham. Trong số các phát hiện, đồng hồ sinh học hoạt động liên tục trong ánh sáng 24 giờ ở cây Brassica, ngược lại trong cây lúa mì, đồng hồ hoạt động tốt hơn trong bóng tối liên tục.

Thú vị hơn, dường như trong cả 2 loài thực vật, đồng hồ sinh học dao động nhanh hơn khi cây già đi, điều này đúng với cả những lá già và lá non trên cùng một cây.

Hannah đã phát triển một phương pháp để đo các mẫu hàng ngày ở thực vật như lúa mì, điều này đã được chứng minh là khó khăn trước đây vì hầu hết các phương pháp dựa vào việc sử dụng biến đổi gene, một kỹ thuật không dể thực hiện trong lúa mì. Các kỹ thuật khác như nhìn vào sự chuyển động của lá, chỉ hoạt động trong cây 2 lá mầm, trong khi cây lúa mì là cây 1 lá mầm.

Kỹ thuật này hoạt động bằng cách đo “delayed fluorescence” từ hệ thống quang hóa II, rất quang trọng cho quá trình quang hợp. Hoạt động của hệ thống quang hóa II dao động trong cửa sổ 24 giờ, rất hữu ích trong các sinh vật sống dựa vào mặt trời để lấy năng lượng.

Kỹ thuật này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu phát hiện sự khác biệt giữa các nhịp sinh học ở cây trồng được trồng để làm lương thực và giúp chúng hoạt động nếu nhịp sinh học phù hợp với môi trường mà nó đang được trồng. Các loại cây được trồng trên đường xích đạo có thể cần nhịp sinh học khác so với cây trồng được trồng gần các cực của trái đất do sự khác biệt về chiều dài trong ngày. Cây trồng có đồng hồ sinh học đồng bộ với môi trường tự nhiên sẽ khỏe mạnh hơn và cho năng suất cao hơn.

Tác giả chính Hannah Rees cho biết: chúng tôi thực sự vui mừng khi dẫn đầu nghiên cứu đầu tiên sử dụng phát sạ ánh sáng như một công cụ để cải thiện cây trồng, dựa trên các kết quả đạt được về sự khác biệt giữa nhịp sinh học hoạt động của cây lúa mì và cây brassica.

Thực tế là đồng hồ tăng tốc khi cây già đi và câu hỏi tiếp theo của chúng tôi là tại sao điều này có thể xảy ra? Có ưu thế sinh học nào cho cây trồng đang phát triển và cây trồng bắt đầu già đi không? Chúng tôi hy vọng nghiên cứu của chúng tôi sẽ giúp cải thiện năng suất cây trồng bằng cách cho phép các nhà lai tạo lựa chọn cây trồng với đồng hồ sinh học phù hợp để tăng trưởng tối ưu ở một số khu vực nhất định trên thế giới.

Nghiên cứu của Anthony Hall Group tại đại học Earlham về đồng hồ sinh học có tiềm năng lớn trong việc nhân giống lúa mì tốt hơn. Chúng ta đã biết rằng đồng hồ sinh học rất quan trọng đối với các quá trình sinh học như:

• Quang hợp ( sản xuất đường)
• Bảo vệ chống lại sâu bệnh
• Độ dẫn của khí khổng (điều tiết nước)
• Ra hoa
• Cố định đạm (để sản xuất protein)
• Chuyển hóa carbon thành các sản phẩm hữu ích

Với kiến thức và sự hiểu biết tốt hơn về cách thức đồng hồ sinh học hoạt động trên lúa mì, chúng ta có thể đi sâu vào cải thiện tiềm năng cây trồng quan trọng này trong tương lai.

Nguyễn Hiếu Hạnh theo Phy.org