Tín hiệu truyền tin báo hiệu cho thực vật "ăn" và "thở" lần đầu tiên được tiết lộ

Nghiên cứu được thực hiện trên cây Arabidopsis thaliana và đậu Fava, hay Vicia faba, đã tiết lộ rằng đường, cùng với axit maleic, một chất hóa học tham gia vào quá trình sản xuất năng lượng, đóng vai trò là chất truyền tin quan trọng kiểm soát cách thức và thời điểm thực vật "thở" và "ăn". Nguồn: Sarah Assmann / Penn State.

Thực vật có một hệ thống giao tiếp nội bộ tinh vi giúp chúng tối ưu hóa quá trình sản xuất năng lượng. Giờ đây, một nghiên cứu mới của một nhóm các nhà khoa học quốc tế do các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania dẫn đầu đã lần đầu tiên tiết lộ các chất truyền tin phân tử kiểm soát cách thức và thời điểm thực vật “thở” và “ăn”, điều này có thể có ý nghĩa đối với nông nghiệp.

Sarah Assmann, giáo sư Sinh học Thực vật tại Đại học Bang Pennsylvania và là tác giả liên hệ của nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Plants, cho biết “Khám phá này thúc đẩy đáng kể sự hiểu biết của chúng ta về cách thực vật phối hợp quá trình trao đổi chất bên trong - các phản ứng hóa học mà chúng sử dụng để tạo ra năng lượng - với môi trường bên ngoài, một quá trình cơ bản cho sự tăng trưởng và sinh tồn của thực vật. Những phát hiện của chúng tôi mở ra cánh cửa cho các nghiên cứu trong tương lai nhằm cải thiện khả năng phục hồi của thực vật và năng suất cây trồng”.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học thực vật đã cố gắng tìm hiểu cách các tế bào bên trong lá giao tiếp với các tế bào bảo vệ, những tế bào chuyên biệt ở lớp tế bào ngoài cùng của lá. Các cặp tế bào bảo vệ bao quanh và kiểm soát chiều rộng của khí khổng, các lỗ chân lông cực nhỏ ở lớp ngoài của lá, ảnh hưởng đến các quá trình quan trọng như sản xuất năng lượng và mất nước.

Khí khổng đóng vai trò như những "cái miệng" cực nhỏ trên lá, đóng mở để kiểm soát lượng carbon dioxide (CO₂) hấp thụ, một chất thiết yếu để tạo ra carbohydrate cung cấp năng lượng cho cây. Assmann giải thích rằng khí khổng cũng kiểm soát việc giải phóng hơi nước trở lại khí quyển. Mặc dù người ta đã biết rằng các tế bào bảo vệ mở khí khổng để đáp ứng với ánh sáng, thúc đẩy quá trình quang hợp, và từ lâu đã có bằng chứng về một "sứ giả" hóa học từ bên trong lá dẫn dắt quá trình này, nhưng danh tính của sứ giả vẫn còn là một ẩn số.

Assmann cho biết: "Đối với thực vật trên cạn, luôn có sự đánh đổi giữa việc tối đa hóa lượng CO₂ hấp thụ, cần thiết cho quá trình quang hợp, và việc giải phóng hơi nước, có thể làm khô cây và cuối cùng giết chết cây nếu mất quá nhiều nước. Khí khổng là những lỗ chân lông nơi diễn ra sự cân bằng đó. Khi khí khổng mở ra, chúng cho phép CO₂ đi vào, giúp cây hấp thụ dinh dưỡng, nhưng cũng thải ra hơi nước, làm cây mất nước. Chúng tôi biết rằng phải có một loại sứ giả nào đó chỉ dẫn các tế bào bảo vệ cách điều chỉnh quyết định sống còn đó".

Nghiên cứu của họ, được thực hiện trên cây cải xoang tai chuột - tên khoa học là Arabidopsis thaliana - và đậu răng ngựa, hay còn gọi là Vicia faba, đã tiết lộ rằng đường, cùng với axit maleic, một chất hóa học tham gia vào quá trình sản xuất năng lượng, hoạt động như những chất truyền tin quan trọng này.

Các nhà khoa học đã xác định và mô tả vòng phản hồi phân tử giữa hoạt động quang hợp và điều hòa khí khổng thông qua một loạt các thí nghiệm tỉ mỉ.

Đầu tiên, họ cẩn thận chiết xuất dịch apoplastic, chất lỏng được tìm thấy giữa các tế bào thực vật, từ những chiếc lá tiếp xúc với ánh sáng đỏ, kích thích quang hợp mạnh, hoặc bóng tối. Bằng cách phân lập và mô tả các hợp chất hóa học hoặc "chất chuyển hóa" trong dịch, họ đưa ra giả thuyết rằng họ có thể tìm thấy chất truyền tin di chuyển qua dịch, giống như việc phát hiện một người đưa thư tại một ngã tư đông đúc trong thành phố.

Bằng cách phân tích thành phần hóa học của dịch apoplastic, các nhà nghiên cứu đã xác định được tổng cộng 448 hợp chất hóa học độc đáo - nhiều hơn rất nhiều so với những gì đã biết trước đây - cần thiết cho các chức năng cơ bản của thực vật như sinh trưởng và phát triển.

Assmann nói: “Chúng tôi đã xác định được hàng trăm chất chuyển hóa trong dịch apoplastic, mà chưa ai từng phân tích ở mức độ này trước đây. Bản thân điều đó đã là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực này, độc lập với câu hỏi nghiên cứu mà chúng tôi đang giải quyết cụ thể, bởi vì nó cung cấp rất nhiều manh mối về các phân tử tín hiệu tiềm năng khác cho các quá trình trên toàn bộ cây”.

Thông qua phân tích sâu rộng chất lỏng này, các nhà nghiên cứu đã xác định đường - bao gồm sucrose, fructose và glucose - và axit maleic là những thành phần quan trọng tăng lên dưới ánh sáng đỏ, kích hoạt quá trình quang hợp. Các nhà nghiên cứu đưa ra giả thuyết rằng những chất chuyển hóa đặc biệt đó sẽ có thể tăng cường sự mở khí khổng dưới ánh sáng đỏ.

Để kiểm tra giả thuyết của mình, các nhà nghiên cứu đã bóc lớp mỏng bên ngoài của lá và phơi chúng ra ánh sáng dù có hoặc không có đường. Họ quan sát thấy rằng đường thực sự thúc đẩy trực tiếp sự mở khí khổng ở lớp biểu bì bị cô lập dưới ánh sáng đỏ. Tiếp theo, họ đã tiến hành một loạt các thí nghiệm trên lá nguyên vẹn, sử dụng đường kết hợp với việc đo lượng CO₂ hấp thụ và mất nước để xác nhận rằng đường báo hiệu cho khí khổng mở rộng hơn.

Cuối cùng, họ đã thực hiện các thử nghiệm trên các tế bào đơn lẻ, cho thấy đường kích thích các cơ chế phân tử làm nền tảng cho việc bảo vệ tế bào kiểm soát quá trình mở khí khổng. Nhìn chung, nghiên cứu này cung cấp bức tranh hoàn chỉnh đầu tiên về quá trình giao tiếp nội bộ này trong thực vật, có thể quyết định sự sống còn của chúng trong nhiều điều kiện khí hậu khác nhau.

Assmann cho biết: “Chúng tôi tập trung vào việc tìm hiểu cách thực vật cảm nhận và phản ứng với các điều kiện môi trường. Thực vật không thể tự nhổ rễ và tìm nơi khác để sinh sống; chúng phải đối phó với bất cứ điều gì môi trường mang lại – hạn hán và căng thẳng nhiệt ngày càng tăng – vì vậy chúng tôi nghiên cứu những gì làm cho thực vật có khả năng phục hồi, từ cấp độ phân tử rất cụ thể cho đến toàn bộ sinh lý thực vật và các thí nghiệm thực địa, với mục tiêu cải thiện năng suất cây trồng”.

Lê Thị Kim Loan theo Đại học Bang Pennsylvania.