Thực vật kiểm soát sự mất nước sớm hơn những gì mà chúng ta nghĩ trước đây

Nguồn: CC0 Public Domain.

Nghiên cứu mới đã làm sáng tỏ thời điểm thực vật lần đầu tiên phát triển khả năng phản ứng với sự thay đổi độ ẩm trong không khí xung quanh chúng và có lẽ đây là đặc điểm về tổ tiên chung của cả thực vật có hoa và dương xỉ.

Chìa khóa của cơ chế điều tiết là những lỗ nhỏ hay lỗ chân lông trên bề mặt của lá, được gọi là khí khổng. Điều này cho phép thực vật điều chỉnh sự hấp thụ khí CO₂ làm nhiên liệu cho quá trình quang hợp và sự mất hơi nước - một hoạt động cân bằng liên tục đòi hỏi các lỗ khí đóng mở theo các điều kiện thay đổi. Khả năng này rất quan trọng đối với nông nghiệp vì nó giúp cây trồng sử dụng ít nước hơn để sinh trưởng.

Thực vật đầu tiên phát triển khí khổng ngay sau khi chúng di chuyển từ môi trường nước lên mặt đất khoảng 450 triệu năm trước, nhưng các nhà khoa học vẫn chưa chắc chắn về con đường tiến hóa mà chúng đã thực hiện và thời điểm mà thực vật có thể chọn mở hay đóng lỗ khí để phản ứng với môi trường.

Ở các loài thực vật tiến hóa gần đây nhất - thực vật có hoa - việc đóng khí khổng để phản ứng với hạn hán được kích hoạt tích cực bởi một số tín hiệu bên trong, bao gồm một loại hormone gọi là axit abscisic (ABA) và các nhà khoa học vẫn đang tìm hiểu xem liệu cơ chế này cũng có trong nhóm thực vật xuất hiện sớm hơn. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Current Biology, các nhà nghiên cứu tại Đại học Birmingham đã tìm thấy bằng chứng cho thấy loài dương xỉ Ceratopteris richardii tích cực hoạt động đóng khí khổng bằng cách sử dụng các tín hiệu tương tự.

Loài dương xỉ nhiệt đới bán thủy sinh này gần đây đã trở thành mô hình đầu tiên khám phá sự kiểm soát di truyền đối với sự phát triển trong họ dương xỉ và hiện đang giúp các nhà khoa học khám phá lịch sử tiến hóa lâu dài giữa các loài thực vật sống trên cạn sớm nhất (rêu, bọ ngựa và cá sừng) và thực vật có hoa hiện đại thống trị các hệ sinh thái ngày nay.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ giải trình tự RNA để xác định các cơ chế di truyền đằng sau các phản ứng khác nhau của khí khổng và có thể chứng minh khả năng đóng khí khổng của cây dương xỉ để đáp ứng với độ ẩm thấp hoặc đáp ứng với chất điều hòa sinh trưởng ABA liên quan đến các bản sao của gen đã được biết đến để kiểm soát khí khổng ở thực vật có hoa.

Kết quả cho thấy rằng cả dương xỉ và thực vật có hoa đều tiến hóa bằng cách sử dụng các phương pháp đóng khí khổng giống nhau. Điều này chỉ ra rằng những cơ chế này đã hiện diện - ít nhất là ở một số dạng - trong khí khổng của tổ tiên chung cuối cùng của cả hai nhóm.

Tiến sỹ Andrew Plackett, Trường Khoa học Sinh học của Đại học Birmingham và Viện Nghiên cứu Rừng Birmingham, người đứng đầu nhóm nghiên cứu với sự cộng tác của các thành viên của trường Đại học Bristol và Đại học Oxford cho biết: "Chúng ta biết rằng thực vật sở hữu khí khổng trong hầu hết lịch sử tiến hóa của chúng, tuy nhiên trong quá trình tiến hóa việc thực vật có thể chủ động mở và đóng chúng vẫn gây tranh cãi”.

"Chúng tôi có thể chỉ ra các cơ chế đóng hoạt động được tìm thấy ở thực vật có hoa cũng có ở dương xỉ, một nhóm thực vật lâu đời hơn nhiều. Có thể hiểu rõ hơn những cơ chế này đã thay đổi như thế nào trong quá trình tiến hóa của thực vật cung cấp cho chúng tôi những công cụ hữu ích để tìm hiểu thêm về cách chúng hoạt động. Điều này sẽ rất quan trọng trong việc giúp cây trồng của chúng ta thích nghi với những thay đổi môi trường trong tương lai".

Alistair Hetherington từ Đại học Bristol cho biết: "Công trình mới này xác nhận rằng những loài thực vật sớm nhất đã có thể chủ động kiểm soát lượng nước mà chúng mất đi thông qua van cực nhỏ giống như cấu trúc trên bề mặt của lá được gọi là khí khổng. Điều này rất quan trọng vì nó cho thấy rằng bộ phận nội bào cho phép khí khổng đóng mở đã có mặt ở các loài thực vật trên cạn sớm nhất. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, việc khí khổng phản ứng chủ động hay thụ động là do môi trường nơi thực vật sinh sống".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org