Khả năng cảm nhận ánh sáng và nhiệt độ cũng như khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu của thực vật phụ thuộc vào các cấu trúc hình thành tự do trong tế bào của chúng mà chức năng của chúng cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn.

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu của UC Riverside đã xác định được cách các cấu trúc này hoạt động ở cấp độ phân tử, cũng như chúng hình thành ở đâu và như thế nào. Thông tin này được mô tả trong hai bài báo mới trên Nature Communications.

Các nhà khoa học từ lâu đã nghiên cứu các ngăn có màng bao bọc, gọi là bào quan, trong tế bào thực vật, chẳng hạn như bộ máy Golgi, ty thể và quan trọng nhất là nhân, nơi DNA được sao chép và phiên mã thành RNA.

Tuy nhiên, người ta biết rất ít về các bào quan không có màng có thể lắp ráp và phân tách linh hoạt bên trong nhân, chẳng hạn như các tế bào quang giúp cảm nhận ánh sáng và nhiệt độ ở thực vật.

Cây trồng dưới ánh mặt trời. (lamyai/iStock/Getty).

“Có một thời, người ta đã gọi những tế bào quang này là ‘thùng rác’ vì họ không hiểu chúng. Khi người ta không hiểu điều gì đó, họ cho rằng điều đó là vô ích. Nhưng chúng không hề vô dụng”, giáo sư thực vật học UCR Meng Chen, tác giả chính của cả hai bài báo đã cho biết. “Chúng là một ranh giới mới trong khoa học”.

Một phần thách thức trong việc nghiên cứu các tế bào quang, hay các bào quan không có màng nói chung, là các phân tử di chuyển ra vào chúng liên tục. Điều này gây khó khăn cho việc phân biệt chức năng của các thành phần bên trong bào quan với các thành phần bên ngoài. Ngoài ra, những tế bào quang này chỉ hình thành dưới ánh sáng.

Chen đã dành hai thập kỷ nghiên cứu vấn đề này trước khi phòng thí nghiệm của ông tìm ra phương pháp giúp giải mã bí ẩn về chức năng của các bào quan.

Meng Chen/UCR.

Trước đây, ông loại bỏ một gen trong cây ở phòng thí nghiệm và cố gắng quan sát bất kỳ thay đổi nào trong tế bào quang cũng như phản ứng với ánh sáng hoặc nhiệt độ của cây. Cách tiếp cận này mang lại thành công một phần.

Phòng thí nghiệm của ông đã xác định được một gen khiến các bào quan không có màng không thể tập hợp được. Việc loại bỏ gen này khiến cây bị mù một phần trước ánh sáng. Chen đã cho biết: “Chúng tôi đã thấy rằng các bào quan này có liên quan đến cảm nhận ánh sáng, nhưng chúng tôi nhận ra đây là mối tương quan chứ không phải quan hệ nhân quả”.

Để tìm hiểu thêm, các nhà nghiên cứu đã thử tăng cường kích thước của các bào quan thay vì loại bỏ chúng. Chiến lược này, được trình bày chi tiết trong một bài báo mới, đã tỏ ra thành công. Với các bào quan lớn hơn, có thể thấy được chức năng.

“Cuối cùng, những gì chúng tôi thấy là các bào quan không có màng giúp thực vật phân biệt được toàn bộ các cường độ ánh sáng khác nhau. Không có chúng, thực vật sẽ không thể “nhìn thấy” những thay đổi về cường độ ánh sáng”, Chen đã nói.

Trong một loạt thí nghiệm liên quan, được mô tả trong bài báo Nature Communications thứ hai, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra mối quan hệ giữa các bào quan này và nhiệt độ. Trước đây, nhóm đã chỉ ra rằng nếu nhiệt độ tăng thì số lượng bào quan này sẽ giảm.

Nhóm đã đưa ra giả thuyết rằng độ nhạy cảm với nhiệt độ sẽ phụ thuộc vào vị trí các bào quan được hình thành trong tế bào. Các nhà nghiên cứu khác đã đề xuất rằng sự hình thành các bào quan là ngẫu nhiên, nhưng Chen đã nghi ngờ điều này không đúng.

Chen đã nói rằng: “Không có nhiều thứ trong tự nhiên là hoàn toàn ngẫu nhiên. Tại sân bay, mọi người tụ tập ở nơi nào đó, hay họ thường ở khu vực chờ và quầy hàng không? Bất cứ thứ gì có chức năng quan trọng thường không phải là ngẫu nhiên”.

Hóa ra, sự hình thành các tế bào quang cũng không phải là ngẫu nhiên. Hơn một nửa trong số chúng nằm gần tâm động, vùng nhiễm sắc thể chứa các gen lặng.

Ở 16 độ, có chín loại bào quan không có màng trong tế bào. Ở 27 độ, số lượng giảm xuống chỉ còn năm loại. Mặc dù tất cả chúng đều chứa protein phytochrome B cảm nhận nhiệt độ, một số bào quan này nhạy cảm với nhiệt độ, còn một số khác thì không.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng có thể thay đổi độ nhạy cảm của thực vật với ánh sáng và nhiệt độ bằng cách điều khiển nơi hình thành các bào quan. Điều này đặc biệt quan trọng nếu mọi người muốn tiếp tục trồng cây lương thực trong một thế giới nóng hơn, sáng hơn.

California trồng chiếm một nửa số trái cây và rau quả của đất nước. Nhưng các nhà khoa học ước tính rằng nếu không giảm thiểu phát thải khí nhà kính, nhiệt độ trung bình ở bang này có thể tăng 11 độ vào cuối thế kỷ này, điều này sẽ ảnh hưởng nghiêm trọng đến tăng trưởng cây trồng.

Chen cho biết: “Để dự đoán và giảm thiểu biến đổi khí hậu, chúng ta cần hiểu cách thực vật cảm nhận và phản ứng với môi trường, đặc biệt là nhiệt độ. Nhiệt độ không chỉ liên quan đến sự tăng trưởng và kích thước. Nó liên quan đến mọi thứ: thời gian ra hoa, phát triển quả, phản ứng với mầm bệnh và khả năng miễn dịch”.

Đỗ Thị Nhạn theo UC Riverside.