Một loài cỏ dại phổ biến có thể là `siêu thực vật` giữ vai trò quan trọng đối với cây chịu hạn

Portulaca oleracea, một loại cây ăn được trồng ở hầu hết mọi nơi ở Hoa Kỳ. Nở hoa màu vàng, nhỏ. Nguồn: ZooFari/Wikimedia Commons.

Tìm thấy loài cỏ dại ẩn chứa những manh mối quan trọng về cách tạo ra cây trồng chịu hạn trong một thế giới mà biến đổi khí hậu đang tiếp diễn.

Các nhà khoa học Yale mô tả cách Portulaca oleracea, thường được gọi là Purslane, tích hợp hai con đường trao đổi chất riêng để tạo ra một loại quang hợp mới giúp loài cỏ này có thể chịu đựng hạn hán trong khi vẫn đạt được sinh khối cao, báo cáo được công bố ngày 5 tháng 8 trên tạp chí Science Advances.

Erika Edwards, giáo sư sinh thái học và sinh học tiến hóa đại học Yale, đồng thời là tác giả cấp cao của nhiều bài báo khoa học, cho rằng: “Đây là sự kết hợp rất hiếm của các đặc điểm và đã tạo ra một loại 'siêu thực vật' - một kiểu có thể hữu ích trong các nỗ lực cải tạo cây trồng”.

Thực vật đã tiến hóa một cách độc lập với nhiều cơ chế khác nhau để cải thiện quá trình quang hợp, quá trình cây xanh sử dụng ánh sáng mặt trời để tổng hợp chất dinh dưỡng từ carbon dioxide và nước. Ví dụ, ngô và mía tiến hóa thành cây quang hợp dạng C4, cho phép cây trồng duy trì năng suất trong điều kiện nhiệt độ cao. Các loài cây mọng nước như xương rồng và agaves quang hợp dạng khác gọi là quang hợp CAM, giúp chúng tồn tại trong sa mạc và các khu vực ít nước khác. Cả C4 và CAM đều phục vụ các chức năng khác nhau nhưng sử dụng cùng một con đường sinh hóa để hoạt động như "phần bổ trợ" cho quá trình quang hợp thường xuyên.

Điều làm nên sự độc đáo của cỏ dại Purslane là nó sở hữu cả hai khả năng thích nghi tiến hóa này - cho phép nó vừa có năng suất cao vừa có khả năng chịu hạn rất tốt, một sự kết hợp khó có thể xảy ra đối với một loài thực vật. Hầu hết các nhà khoa học tin rằng C4 và CAM hoạt động độc lập bên trong các lá của mô.

Nhưng nhóm nghiên cứu của Yale, do đồng tác giả và các nhà nghiên cứu sau tiến sỹ do Jose Moreno-Villena và Haoran Zhou dẫn đầu, đã tiến hành phân tích không gian về sự biểu hiện gen bên trong các lá của mô và nhận thấy rằng hoạt động C4 và CAM hoàn toàn được tích hợp. Chúng hoạt động trong các tế bào giống nhau, với các sản phẩm của phản ứng CAM được xử lý bằng con đường C4. Hệ thống này cung cấp mức độ bảo vệ bất thường cho thực vật C4 trong thời gian hạn hán.

Các nhà nghiên cứu cũng xây dựng các mô hình mô phỏng lượng trao đổi chất dự đoán sự xuất hiện của hệ thống C4 + CAM tích hợp phản ánh kết quả thí nghiệm của họ.

Các tác giả cho biết, hiểu được con đường trao đổi chất mới này có thể giúp các nhà khoa học tìm ra những cách mới để cải tiến các loại cây trồng như ngô giúp chống chọi với hạn hán kéo dài.

Edwards nói: “Về mặt kỹ thuật, đưa chu trình CAM vào cây trồng C4, chẳng hạn như ngô, vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi điều đó có thể trở thành hiện thực. Nhưng những gì chúng tôi đã chứng minh là hai con đường có thể được tích hợp và chia sẻ sản phẩm một cách hiệu quả. C4 và CAM tương thích hơn chúng tôi nghĩ, điều này khiến chúng tôi phỏng đoán rằng có nhiều loài C4 + CAM khác ngoài thiên nhiên, đang chờ được phát hiện”.

Lê Thị Kim Loan theo phys.org