Làm thế nào những cây khát nước có thể sống sót trong thời kỳ hạn hán?

Các nhà khoa học tại Viện Salk đã tạo ra một bản đồ độ phân giải cao cho thấy hạn hán ảnh hưởng đến tế bào thực vật như thế nào và xác định một gen có thể được nhắm mục tiêu để tạo ra các loại cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn.

Hoa Kỳ và Mexico đã trải qua một đợt hạn hán lịch sử kéo dài kể từ đầu thế kỷ. Trong hơn 25 năm, vùng Tây Nam nước Mỹ đã phải gánh chịu những hậu quả nghiêm trọng về kinh tế và xã hội của đợt hạn hán này - bao gồm thiệt hại nông nghiệp lên tới 1,1 tỷ đô la chỉ riêng tại California trong năm 2021. Với tình trạng này vẫn tiếp diễn, làm thế nào chúng ta có thể giúp cây trồng chống chịu hạn hán đồng thời giảm thiểu thiệt hại năng suất?

Các nhà khoa học tại Viện Salk đã phân tích gần một triệu tế bào từ lá của cây Arabidopsis thaliana , một loại cây có hoa nhỏ được dùng làm mô hình thí nghiệm thay thế cho các loại cây trồng quan trọng như ngô, lúa mì và gạo. Nhóm nghiên cứu đã đo lường sự thay đổi biểu hiện gen trong các tế bào này ở các mức độ hạn hán khác nhau và các giai đoạn phát triển của lá, sau đó biên soạn dữ liệu thành một tập bản đồ công khai.

Joseph Ecker (bên trái) và Joseph Swift (bên phải) đã ra mắt một tập bản đồ độ phân giải cao cho thấy hạn hán ảnh hưởng đến tế bào thực vật như thế nào. Nguồn: Viện Salk.

Tập bản đồ mới cho thấy điều kiện hạn hán đẩy nhanh quá trình lão hóa lá, nhưng một gen cụ thể có thể được sử dụng để cứu vãn sự phát triển của lá trong điều kiện hạn hán.

Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature Plants vào ngày 19 tháng 3 năm 2026, cung cấp một lộ trình có thể giúp các nhà nghiên cứu tạo ra các giống cây trồng có khả năng duy trì sinh trưởng tốt hơn trong điều kiện hạn hán.

“Chúng tôi đã nghiền nát lá cây và nghiên cứu biểu hiện gen tổng quát từ lâu rồi – đây là lần đầu tiên chúng tôi nghiên cứu tác động của hạn hán với độ phân giải cụ thể theo từng loại tế bào”, tiến sỹ Joseph Ecker, tác giả chính của nghiên cứu, giáo sư và người giữ chức Chủ nhiệm Hội đồng Quốc tế Salk về Di truyền học tại Salk, đồng thời là nhà nghiên cứu của Viện Y học Howard Hughes cho biết. “Chúng tôi đang vượt qua những giới hạn của kiến ​​thức hiện có và tập bản đồ này cung cấp một cái nhìn thực sự quan trọng về cách thực vật bị ảnh hưởng bởi môi trường của chúng”.

Lá rụng có khiến tôi trở thành một người chăm sóc cây không tốt?

Thực vật trải qua các chu kỳ chết và tái sinh, khi lá già rụng và lá non mọc lên. Quá trình lão hóa và phát triển này linh hoạt hơn nhiều so với con người – thực vật có thể làm chậm, dừng hoặc tăng tốc quá trình lão hóa tùy thuộc vào tình huống. Ví dụ, khi đối mặt với thời tiết khắc nghiệt như hạn hán, thực vật bắt đầu lão hóa nhanh chóng và rụng lá già đồng thời làm chậm sự phát triển của lá non. Bằng cách đó, cây bảo tồn nguồn tài nguyên và duy trì sự sống.

Thật không may cho nông dân, chiến thuật này làm giảm năng suất và sản lượng cây trồng nói chung, dẫn đến thiệt hại kinh tế. Và trong khi phản ứng căng thẳng này, đặc trưng bởi sự lão hóa nhanh và khả năng tái tạo chậm, đã được ghi nhận rõ ràng, thì cơ sở di truyền của sự phát triển lá trong điều kiện hạn hán vẫn chưa được biết đến.

“Nếu chúng ta có thể xác định cách thực vật điều chỉnh sự phát triển của chúng để đáp ứng với các tác động từ môi trường, chúng ta có thể sử dụng thông tin này để phát triển các giống cây trồng mới duy trì năng suất trong điều kiện thiếu nước – một thách thức ngày càng quan trọng khi hạn hán xảy ra thường xuyên hơn”, Joseph Swift, tiến sỹ, tác giả chính của nghiên cứu và cựu nghiên cứu sinh sau tiến sỹ trong phòng thí nghiệm của Ecker cho biết.

Điều gì xảy ra bên trong lá cây trong thời kỳ hạn hán?

Đằng sau bản sắc và hành vi của mỗi tế bào là một chương trình di truyền. Có rất nhiều gen trong mỗi tế bào, nhưng chỉ một số lượng nhất định được biểu hiện dựa trên nhu cầu riêng biệt của loại tế bào đó. Lá chứa nhiều loại tế bào chuyên biệt khác nhau - các tế bào vận chuyển nước, quang hợp, tạo thành “lớp vỏ” của lá, v.v. Các nghiên cứu chỉ xem xét sự biểu hiện gen tổng thể trên toàn bộ lá sẽ bỏ sót những khác biệt này giữa các loại tế bào.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu tại Viện Salk đã tạo ra một bản đồ biểu hiện độ phân giải ở cấp độ nhân tế bào đơn. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát 1.226 lá cây Arabidopsis, tổng cộng gần một triệu nhân tế bào, bao gồm cả những cây được trồng và ngâm nước bình thường cũng như những cây bị hạn hán, ở các giai đoạn phát triển khác nhau.

Khi các nhà nghiên cứu so sánh hồ sơ biểu hiện gen của tất cả các tế bào này, họ phát hiện ra rằng trong chín ngày hạn hán, lá cây đã thúc đẩy nhanh quá trình lão hóa, dẫn đến kích thước lá nhỏ hơn. Các chương trình gen liên quan đến cấp trưởng thành và lão hóa của lá bắt đầu được kích hoạt sớm hơn bình thường do căng thẳng hạn hán. Điều kiện khô hạn càng khắc nghiệt, biểu hiện của các gen liên quan đến lão hóa càng mạnh mẽ.

Các chương trình gen lão hóa đặc biệt nguy hiểm ở các tế bào tế bào cam đảm quang hợp, được gọi là tế bào mô mềm. Họ cũng phát hiện ra một công cụ gen, Ferric Red Oxidase 6 (FRO6), đang điều chỉnh kích thước lá của cây Arabidopsis trong điều kiện hạn hán.

Nhóm nghiên cứu đặc biệt vui mừng khi phát hiện ra rằng, khi họ tăng cường biểu hiện FRO6 trong tế bào mô mềm, cây vẫn duy trì được một phần sự phát triển của lá dưới điều kiện hạn hán.

Liệu các loại cây chịu hạn có thể giúp ích cho nông dân?

“Thông thường khi chúng tôi cố gắng tạo ra cùng chúng tôi chịu hạn”, Swift giải thích. “Cây sẽ được xây dựng, bởi vì về cơ bản bạn đang bảo nó đừng phát triển, tự nhiên, đó không phải là điều ta muốn ngoài thực địa có thể. FRO6 có thể là một cách để khuyến khích phát triển trong điều kiện hạn hán nhẹ, điều này sẽ giúp đảm bảo năng lực quan trọng cho dân tộc”.

Những phát hiện này có tiềm năng định hình lại cách trồng cây đối với hạn hán, giúp chúng tôi có khả năng chịu đựng tốt hơn mà không làm giảm năng suất. Các phát hiện này cũng được bổ sung cho một nghiên cứu gần đây khác từ phòng thí nghiệm của Ecker, trong đó mô tả chi tiết phản ứng miễn dịch mạnh mẽ mà thực vật khởi phát sau hạn hán, được gọi là Miễn dịch do Phục hồi sau hạn hán (DRII) .

“Nghiên cứu trước đây của chúng tôi, được công bố vào mùa hè năm ngoái, đã giải thích cách thực vật phục hồi sau hạn hán, và giờ đây chúng ta biết cách chúng phản ứng trong thời kỳ hạn hán”, Ecker nói. “Từ đây, chúng ta có thể lập chiến lược để tạo ra các loại cây trồng khỏe mạnh hơn, có khả năng chống chịu tốt hơn với những thách thức môi trường này nhằm bảo vệ nguồn cung cấp lương thực toàn cầu”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Salk.