Một khám phá mới về cách thực vật cảm nhận ánh sáng và phát triển có thể tạo ra các giống cây trồng bền vững hơn

Các thụ thể ánh sáng giúp cây non nhận biết khi nào đã đủ ánh sáng mặt trời, khi nào nên ngừng kéo dài thân cây và khi nào nên bắt đầu quá trình quang hợp để tạo ra năng lượng.

Các nhà khoa học tại Đại học Wisconsin–Madison đã xác định được vị trí hoạt động của một thụ thể ánh sáng quan trọng trong thân cây. Phát hiện này có thể giúp người nông dân nâng cao tỷ lệ thành công của các loại cây trồng như đậu nành.

Được công bố trên tạp chí Current Biology, nghiên cứu này mang lại những hiểu biết mới về cách cây non cảm nhận ánh sáng trong môi trường và điều chỉnh chiến lược phát triển của chúng.

Các nhà nghiên cứu cho biết rằng các thụ thể ánh sáng giúp cây non nhận biết khi nào chúng đã tiếp nhận đủ ánh sáng mặt trời, khi nào nên ngừng kéo dài thân cây và khi nào nên bắt đầu quá trình quang hợp để tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, cho đến nay, họ vẫn chưa xác định được vị trí chính xác của các thụ thể ánh sáng này trong cây non và phải nghiên cứu toàn bộ cây để hiểu rõ hiện tượng này.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi nhận ra rằng tác động của các thụ thể ánh sáng này không phải ở khắp mọi nơi dọc theo thân cây và rằng các thụ thể ánh sáng khác nhau kiểm soát các vùng khác nhau của thân cây”, Edgar Spalding, giáo sư danh dự về thực vật học tại UW–Madison, giải thích.

Spalding, cùng với nghiên cứu sinh Julian Bustamante và nhà khoa học dữ liệu Nathan Miller, đã cô lập các tác động của một số thụ thể ánh sáng thông qua chỉnh sửa di truyền và chụp ảnh sự phát triển của các cây non nhỏ bằng các máy ảnh cực kỳ nhạy. Họ đã sử dụng máy học và các tài nguyên tính toán hiệu suất cao của UW để phân tích các bức ảnh và xác định vị trí mỗi thụ thể ánh sáng kiểm soát sự phát triển trên thân cây. Sự thiết lập đứng vững - sự phát triển ban đầu khỏe mạnh của cây khi bám rễ vào đất - là một chỉ số quan trọng cho sự thành công của cây trồng. Hiểu rõ cách các thụ thể ánh sáng đóng góp vào giai đoạn phát triển dễ bị tổn thương này là mối quan tâm lớn đối với nông dân và các nhà nghiên cứu.

Để nảy mầm, cây kéo dài thân để xuyên qua đất cho đến khi các thụ thể ánh sáng phát hiện đủ ánh sáng mặt trời, cho phép cây tạo ra năng lượng thông qua quá trình quang hợp. Trước đó, cây phải dựa vào nguồn năng lượng và chất dinh dưỡng hạn chế được lưu trữ trong hạt.

Đôi khi, sau khi cây non mọc lên từ đất, chúng có thể bị phủ lại bởi đất do gió, động vật kiếm ăn hoặc các yếu tố khác. Khi không có đủ ánh sáng mặt trời, các thụ thể ánh sáng báo hiệu cho cây rằng nó không thể tạo ra năng lượng thông qua quang hợp. Nhưng nhờ vào một thụ thể ánh sáng gọi là cryptochrome-1 (cry1), cây non vẫn có cơ hội sống sót.

Spalding và nhóm của ông đã phát hiện ra rằng cry1 không chỉ kiểm soát sự kéo dài của phần trên thân cây mà còn đóng vai trò giúp cây trở lại ánh sáng mặt trời.

Khi cây mới nảy mầm, cry1 ngăn cây kéo dài hoàn toàn, giữ lại một phần năng lượng và chiều dài thân cây dự trữ. Bằng cách đó, khi cây non bị phủ lại bởi đất, thụ thể ánh sáng này có thể báo hiệu cho cây kéo dài thân cho đến khi nó vượt qua lớp đất một lần nữa.

Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng kiến thức mới này để chỉnh sửa di truyền hạt giống nhằm tăng cường vai trò của cry1, đảm bảo rằng các cây trồng dễ bị tổn thương có chiều dài kéo dài dự phòng và năng lượng cần thiết để mọc lại nếu bị phủ lại.

Spalding hy vọng rằng công trình này sẽ giúp tập trung vào các lĩnh vực nghiên cứu đổi mới cây trồng trong tương lai và tạo ra các giống cây trồng bền vững hơn, mang lại năng suất cao hơn.

Bùi Anh Xuân theo Đại học Wisconsin–Madison.