Thực vật không quan tâm đến trọng lực trong lúc diễn ra hạn hán để tìm kiếm nước

Giáo sư ISTA Jiří Friml với cây cải xoong tai chuột (A. thaliana) - sinh vật mô hình của nhóm nghiên cứu của ông.

Rễ "cảm nhận" trọng lực để vươn ra và neo chặt vào đất, nhưng chúng có thể thay đổi hướng phát triển của mình về phía nguồn nước khi cần thiết. Tuy nhiên, theo một nghiên cứu mới của các nhà khoa học tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) và Đại học Northwest A&F tại Trung Quốc, sự thay đổi này được thúc đẩy bởi điều kiện hạn hán, ngăn chặn khả năng cảm nhận trọng lực của rễ. Những hiểu biết này có thể hữu ích để phát triển các loại cây có khả năng chịu được điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Cây cối liên tục phát triển, phản ứng với các tín hiệu môi trường và điều chỉnh sự phát triển của chúng cho phù hợp. Chúng vươn chồi về phía mặt trời thông qua một quá trình gọi là hướng sáng và vươn rễ nhờ lực hấp dẫn của Trái đất - một hiện tượng được gọi là hướng trọng lực. Ngoài ra, cây cối uốn cong rễ về phía các vùng ẩm ướt trong đất, đảm bảo cây có thể tiếp cận được với nước, một hành vi được gọi là hướng nước.

Trong khi hướng sáng và hướng trọng lực đã được ghi chép khá đầy đủ và đã được nghiên cứu trong hơn một thế kỷ, người ta vẫn chưa biết nhiều về hướng thủy sinh, mặc dù nó rất quan trọng đối với thực vật, đặc biệt là trong thời kỳ biến đổi khí hậu.

Một nghiên cứu gần đây của người đoạt giải Wittgenstein năm 2024 và giáo sư Jiří Friml cùng nghiên cứu sinh Adrijana Smoljan, cả hai đều đến từ Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) và các đồng nghiệp đến từ Đại học Northwest A&F ở Trung Quốc, đã tiết lộ những hiểu biết mới. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tìm kiếm thức ăn dưới nước đòi hỏi phải ức chế tính hướng trọng lực bằng chất điều hòa chính hướng nước "MIZ1". Những phát hiện của họ được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences.

Loại bỏ trọng lực

Để đi sâu hơn vào tính hướng nước, Friml và các đồng nghiệp háo hức muốn hiểu điều gì xảy ra khi trọng lực không còn ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ. Về cơ bản, họ muốn loại bỏ hoàn toàn tính hướng nước. Một lựa chọn liên quan đến việc đưa cây vào không gian, chẳng hạn như thí nghiệm VEGGIE của NASA hoặc sáng kiến ​​của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) nhằm trồng cây trong không gian.

Tuy nhiên, để nghiên cứu, các nhà khoa học đã chọn ở lại Trái đất và đặt các đĩa Petri với cây giống A. thaliana trên một bệ quay chậm. Sự quay liên tục liên tục làm thay đổi hướng của trọng lực, khiến cây không thể phản ứng với trọng lực vì không thể phân biệt được nguồn của nó. Friml so sánh điều này với một chiếc đồng hồ, trong đó rễ cây quay giống như kim đồng hồ.

"Bằng cách loại bỏ trọng lực, chúng ta thấy rằng tính hướng nước trở nên mạnh hơn nhiều", Friml giải thích. "Trong điều kiện bình thường với đủ nước, tính hướng nước thường chiếm ưu thế. Tuy nhiên, khi bạn tắt tính hướng nước, tác động của tính hướng nước trở nên rõ ràng".

Trong điều kiện hạn hán, thực vật ưu tiên nước hơn trọng lực

Tiếp theo, nhà khoa học phát hiện ra rằng trong thời kỳ hạn hán, thực vật bắt đầu ức chế tính hướng trọng lực ở một mức độ nào đó. "Điều đó có lý", Friml giải thích. "Việc tìm kiếm nước đột nhiên trở nên quan trọng hơn là tiếp tục phát triển xuống dưới, vì vậy trong điều kiện hạn hán , tính hướng trọng lực bị giảm, cho phép thực vật trở nên hướng nước hơn".

Nhưng điều gì kích hoạt sự thay đổi này từ hướng trọng lực sang hướng nước? Một loại protein được gọi là MIZ1 đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Được các nhà khoa học Nhật Bản xác định cách đây nhiều thập kỷ, MIZ1 là một trong số rất ít gen được biết là quan trọng đối với hướng nước.

Các nhà nghiên cứu đã so sánh các cây đột biến hiện có thiếu MIZ1 với các cây hoang dã "bình thường". Họ phát hiện ra rằng ở các cây đột biến MIZ1, sự ức chế tính hướng trọng lực để đáp ứng với hạn hán không có tác dụng. Các cây này cho thấy khiếm khuyết về khả năng chịu nước, trong khi tính hướng trọng lực vẫn phát triển mạnh. Về bản chất, nếu không có MIZ1, cây sẽ phải vật lộn để tìm kiếm nước, vì MIZ1 giúp làm giảm tính hướng trọng lực của rễ.

Tìm kiếm thức ăn dưới nước và biến đổi khí hậu

Hiểu được cách thực vật tìm nước và phản ứng với hạn hán là rất quan trọng, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. "Ví dụ, mùa đông năm ngoái ở Vienna đặc biệt khô hạn", Smoljan giải thích. "Mùa đông năm nay, trạm thời tiết Hohe Warte chỉ ghi nhận 32 lít mưa trên một mét vuông, thấp hơn đáng kể so với lượng mưa thông thường là 130 lít. Do đó, đất trở nên rất khô, làm tăng nguy cơ cháy rừng, ngay cả trong mùa đông".

Những điều kiện thời tiết khắc nghiệt như vậy nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu của nhóm Friml. Chúng ta càng hiểu rõ cách thực vật tìm kiếm nước, chúng ta càng có thể giúp phát triển các loại thực vật có thể chịu hạn tốt hơn - một bước quan trọng đối với nông nghiệp.

"Bằng cách xác định các biến thể ngô hoặc lúa mì có protein MIZ1 hoạt động mạnh, chúng có thể được đưa vào các biến thể năng suất cao. Về mặt lý thuyết, bạn có thể tạo ra nhiều loại cây ưa nước hơn, có thể cải thiện khả năng hấp thụ nước của chúng trong thời kỳ hạn hán", Friml nói thêm.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org