Nghiên cứu mới hé lộ phương cách tế bào rễ cảm nhận và thích nghi với đất

Các nhà khoa học đã phát hiện ra, lần đầu tiên, cách thức các tế bào rễ phản ứng với môi trường đất phức tạp của chúng, cho thấy rễ chủ động cảm nhận môi trường vi mô của chúng và tạo ra các phản ứng phân tử chính xác, cụ thể của tế bào. Những phát hiện này có thể giúp phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu với tác động khắc nghiệt của khí hậu.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà khoa học thực vật quốc tế từ Đại học Nottingham đã làm việc với các nhóm ở Hoa Kỳ và Bỉ. Nhóm đã sử dụng phương pháp phiên mã tế bào đơn và không gian tiên tiến để so sánh rễ lúa được trồng trong môi trường gel thông thường với rễ lúa được trồng trong đất tự nhiên không đồng nhất và đất cứng.

Một khám phá nổi bật liên quan đến hormone axit abscisic (ABA), được biết đến với vai trò trong tình trạng căng thẳng nước. Nghiên cứu cho thấy ABA giúp tăng cường rào cản chống thấm nước, giảm mất nước từ rễ và hỗ trợ khả năng phục hồi của rễ đối với đất cứng. Nhận thức này cung cấp chìa khóa tiềm năng để cải thiện khả năng phục hồi của rễ cây trồng đối với điều kiện đất cứng.

Đất là nền tảng của sự sống trên cạn, sản xuất hơn 90% tất cả thực phẩm trên cạn. Tuy nhiên, hệ sinh thái năng động này không hề đồng nhất: nó thể hiện sự thay đổi liên tục của các chất dinh dưỡng, khả năng cung cấp nước, sự sống của vi khuẩn và các thách thức về mặt cơ học. Hiểu được cách các tế bào rễ cảm nhận và phản ứng với các căng thẳng của đất là rất quan trọng để bảo vệ an ninh lương thực toàn cầu trong tương lai.

“Việc nhìn thấy các gen liên quan đến cảm biến chất dinh dưỡng, phản ứng với nước và căng thẳng sinh học chỉ rõ lên ở rễ cây mọc trong đất thật đáng kinh ngạc”, tác giả chính Mingyuan Zhu của Đại học Duke cho biết. “Đó là khoảnh khắc ấn tượng khiến sự phức tạp của các tương tác giữa môi trường rễ và đất trở nên sống động và chân thực”.

“Đây là lần đầu tiên các công cụ biểu hiện phân giải tế bào như vậy được áp dụng cho rễ cây trồng trong đất. Hiểu được các phản ứng đặc hiệu của tế bào rễ trong môi trường đất thực tế sẽ mở đường cho việc thiết kế cây trồng ở cấp độ tế bào, được điều chỉnh để hoạt động mà không làm gián đoạn các quá trình quan trọng trong các mô rễ khác. Nghiên cứu đột phá này minh họa cho sức mạnh của sự hợp tác liên ngành và đại diện cho sự thay đổi mô hình trong sinh học thực vật, biến đổi khả năng nghiên cứu các quá trình trong tế bào rễ của chúng ta từ các điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát sang các điều kiện thực tế nhưng đầy thách thức hơn nhiều mà thực vật trải qua trong đất. Khi biến đổi khí hậu đe dọa chất lượng đất và tính bền vững của nông nghiệp, những hiểu biết như vậy không chỉ thú vị về mặt khoa học - mà còn rất cần thiết” (tiến sỹ Bipin Pandey, Khoa Khoa học Đời sống).

Nghiên cứu cũng cho thấy rằng sự kích hoạt của hệ thống phản ứng thực vật không chỉ được điều chỉnh bởi quá trình di truyền hoặc sinh hóa, mà còn là quá trình thay đổi vật lý các đặc tính vật chất của thực vật ở cấp độ tế bào. Hợp tác với Khoa Kỹ thuật của Đại học Nottingham, nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ hình ảnh độ phân giải tế bào mới gọi là kính hiển vi phonon để lập bản đồ những thay đổi về độ cứng của thành tế bào đối với rễ cây phát triển trong môi trường chịu áp lực và không chịu áp lực.

“Chúng tôi đã khám phá ra khả năng đáng kinh ngạc này của rễ cây để "Chống chịu tác động" hiệu quả, bằng cách làm cứng thành tế bào của chúng, khi được trồng trong đất đã bị nén chặt. Thực vật chuẩn bị cho các điều kiện khắc nghiệt gần giống như con người sử dụng bao cát để chống chịu bão. Bằng cách hiểu rõ hơn về các đặc tính vật chất của thực vật, chúng ta có thể giúp thiết kế thực vật với các đặc tính vật lý được cải thiện phù hợp hơn với môi trường đang thay đổi của chúng ta” (tiến sỹ Salvatore La Cavera, Khoa Kỹ thuật).

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Nottingham.