Mối quan hệ ánh sáng và sự hút nước của cây: vai trò của ánh sáng trong việc điều tiết thuỷ lực của lá

Ảnh hưởng của ánh sáng đến các đặc tính ion-osmo-thủy lực và cân bằng nước nội môi của thực vật. Tác động của phổ ánh sáng đến sự vận chuyển ion và nước của thực vật đã được công nhận rộng rãi. Quang phổ ánh sáng ảnh hưởng đến độ dẫn thủy lực ở nhiều cấp độ qua từng tế bào đến từng bộ phận. Phía bên trái của bảng a–c (nền xanh mờ) mô tả các quá trình xảy ra khi cây tiếp xúc với cả Ánh sáng đỏ (RL) và Ánh sáng xanh (BL), bắt đầu đường dẫn truyền tín hiệu ánh sáng xanh (BLSTP) rất quan trọng để điều chỉnh tính thấm của nước trong (a) tế bào vỏ bó mạch (BSC). Trong các tế bào này, BL được phát hiện bởi các phototropin PHOT1 và PHOT2, qua trung gian là BLUS1 kinase. Sự kích hoạt này kích hoạt bơm proton H ⁺ ATPase-AHA2, dẫn đến sự siêu phân cực của plasma của BSC và quá trình axit hóa (pH c . 5,6) của nhựa xylem. Kết quả là, hệ số thấm thẩm thấu màng của BSC (Pf ) và độ dẫn thủy lực xuyên tâm của lá (b) (_Lá K) tăng lên. (c) Một BLSTP tương tự được tìm thấy trong các tế bào bảo vệ (GC), trong đó quá trình siêu phân cực màng và axit hóa apoplastic dẫn đến sự tích tụ các ion và nước, khiến khí khổng mở ra làm tăng độ dẫn của khí khổng (g_s). Điều này, kết hợp với _lá K , hỗ trợ tốc độ thoát hơi nước cao. Mặc dù tỷ lệ BL (so với RL) trong tổng lượng ánh sáng mặt trời nhỏ hơn nhưng tác động của nó đến hệ thống thủy lực của cây trồng là rất đáng kể. Trong trường hợp không có BL, được mô tả ở phía bên phải của bảng a–c (nền đỏ), quá trình khử cực và kiềm hóa apoplastic được quan sát thấy ở cả BSC và GC, dẫn đến _lá P _f và K giảm , cũng như đóng khí khổng và giảm thoát hơi nước , nhưng với tác động giảm thiểu đến quá trình quang hợp của lá thấp hơn. Ở cấp độ toàn bộ cây trồng (d), BL (các khu vực trong hình có nền màu xanh lam) góp phần tăng cường vận chuyển nước về phía rìa tán, nơi thâm hụt nhiệt độ và áp suất hơi (VPD) cao hơn đáng kể. Cơ chế này cho phép cung cấp nhiều nước hiệu quả cho quá trình thoát hơi nước và làm mát ở những khu vực này. Lá vùng bóng râm (nền đỏ) nhận được BL ít hơn đáng kể. Tuy nhiên, vì những lá này thoát hơi nước ít hơn và tiếp xúc với nhiệt độ và VPD thấp hơn, nên sự hiện diện của BL giảm đi sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng nước (WUE) của chúng. Xin lưu ý rằng các vùng nền đỏ của hình được tô màu đỏ nhằm mục đích minh họa, nhưng phổ ánh sáng tới cây thường bao gồm các độ dài sóng khác như đỏ xa và xanh lục, cũng như tỷ lệ BL:RL thấp.

Một nghiên cứu bởi giáo sư Menachem Moshelion từ Khoa Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường Robert H. Smith, trường Đại học Hebrew, cùng với tiến sỹ Yael Grunwald và tiến sỹ Adi Yaara cho biết mối quan hệ phức tạp giữa ánh sáng các điều kiện, đặc biệt là tỷ lệ Ánh sáng xanh (BL), Ánh sáng đỏ (RL) và độ dẫn thủy lực của lá (Kleaf) ở các khu vực tán khác nhau đã được làm rõ.

Tán cây đóng vai trò quan trọng trong việc chặn ánh sáng và quang hợp và là mối liên kết quan trọng giữa thực vật với môi trường xung quanh. Tán cây bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các yếu tố như cường độ và chất lượng ánh sáng  tác động sâu sắc đến quá trình quang hợp - một quá trình cơ bản trong quá trình phát triển của thực vật.

Nghiên cứu này tiết lộ những biến đổi của ánh sáng tác động như thế nào đến độ dẫn khí và thủy lực của cây trồng. Nghiên cứu này tập trung vào việc cân bằng ánh sáng xanh và đỏ ở những vùng sáng giúp kiểm soát dòng nước trong lá cây như thế nào.  Điều này thực hiện bằng cách tác động đến khả năng thấm nước của các tế bào gần mô mạch của cây (hệ thống vận chuyển nước của cây) đáp ứng nhu cầu nước cao.

Ở những nơi có bóng râm, nơi có ít ánh sáng hơn, cây trồng có nhu cầu nước thấp hơn. Những chiếc lá che bóng này sử dụng nước hiệu quả hơn vì chúng mất ít nước hơn trong quá trình thoát hơi nước và chúng vẫn hỗ trợ quá trình quang hợp (một quá trình cơ bản) cho sự phát triển của thực vật nhờ sự hiện diện của ánh sáng đỏ.

Nghiên cứu này khám phá các cơ chế phức tạp, thông qua thoát hơi nước làm thực vật thích nghi với các môi trường đa dạng, đưa ra những hiểu biết sâu sắc quan trọng để tối ưu hóa các phương pháp tiếp cận trong nông nghiệp, đặc biệt là ở những khu vực nơi việc quản lý nước rất quan trọng và giúp chúng ta hiểu sâu hơn về sinh lý thực vật.

Ngược lại, ở những nơi có bóng râm phía bên trong có cường độ ánh sáng thấp hơn, nhu cầu nước giảm và khả năng vận chuyển nước của lá giảm do cường độ ánh sáng và cảm ứng BL thấp hơn. Điều thú vị, bất chấp những khác biệt này, những chiếc lá trong khu vực bóng râm vẫn thể hiện hiệu quả sử dụng nước cao hơn so với những lá ở tán trên. Hiệu suất tăng cao này là do nhu cầu thoát hơi nước và làm mát giảm ở những khu vực ít ánh sáng hơn, trong khi sự hiện diện của RL hỗ trợ quá trình quang hợp.

Nghiên cứu làm sáng tỏ mối tương tác linh hoạt giữa điều kiện ánh sáng, nhu cầu nước và độ dẫn thủy lực trong các vùng tán khác nhau mang lại những hiểu biết sâu sắc có giá trị về các chiến lược thích nghi mà thực vật sử dụng để phát triển trong môi trường khác nhau.

Những phát hiện của nghiên cứu này không chỉ góp phần vào sự hiểu biết của chúng ta về sinh lý thực vật mà còn có những ứng dụng tiềm năng trong việc tối ưu hóa các hoạt động trong nông nghiệp, đặc biệt là ở những khu vực mà việc quản lý nước rất quan trọng đối với lĩnh vực trồng trọt.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí New Phytologist.

Dương Thị Lan Oanh theo Phys.org