Nguồn: CCO Public Domain.

Dưới kính hiển vi, thực vật có các lỗ rất nhỏ trên bề mặt lá được gọi là khí khổng. Những lỗ nhỏ này giúp thực vật điều chỉnh dòng khí cacbonic để quang hợp. Chúng cũng ngăn ngừa sự mất quá nhiều nước và khô héo trong thời gian khô hạn.

Các lỗ khí khổng được bao bọc bởi hai tế bào bảo vệ. Nếu áp suất bên trong của các tế bào này giảm xuống, chúng sẽ chùng lại và đóng lỗ khí khổng. Nếu áp suất tăng lên, các tế bào di chuyển ra xa nhau và lỗ khí khổng mở rộng.

Do đó, các chuyển động của khí khổng được điều chỉnh bởi các tế bào bảo vệ. Các đường dẫn tín hiệu trong các tế bào này phức tạp đến mức con người khó có thể can thiệp một cách trực tiếp vào chúng. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu của Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg ở Bavaria, Đức, đã tìm ra cách điều khiển chuyển động của khí khổng từ xa - sử dụng xung ánh sáng.

Protein nhạy cảm với ánh sáng từ tảo được sử dụng

Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc làm này bằng cách đưa một công tắc nhạy sáng vào các tế bào bảo vệ của cây thuốc lá. Công nghệ này đã được áp dụng từ quang di truyền học. Nó đã được khai thác thành công trong tế bào động vật, tuy nhiên sự ứng dụng trong tế bào thực vật thì vẫn còn sơ khai.

Nhóm nghiên cứu do nhà sinh lý JMU và chuyên gia về tế bào bảo vệ, giáo sư Rainer Hedrich, đã mô tả cách tiếp cận của họ trên tạp chí Science Advances. Các nhà nghiên cứu JMU Shouguang Huang (tác giả đầu tiên), Kai Konrad và Rob Roelfsema đã tham gia một cách có ý nghĩa.

Nhóm này đã sử dụng một loại protein nhạy cảm với ánh sáng từ tảo Guillardia theta làm công tắc ánh sáng, cụ thể là kênh anion ACR1 từ nhóm channelrhodopsin. Để phản ứng với các xung ánh sáng, công tắc đảm bảo rằng clorua chảy ra khỏi các ô bảo vệ và kali sẽ theo sau. Các tế bào bảo vệ mất áp lực bên trong, chùng lại và lỗ khí khổng đóng lại trong vòng 15 phút. Hedrich nói: “Xung ánh sáng giống như một bộ điều khiển từ xa cho sự chuyển động của khí khổng.

Giả thuyết đường dẫn Anion được xác nhận

Hedrich nói: “Bằng cách cho ACR1 tiếp xúc với ánh sáng, chúng tôi đã bắc cầu nối chuỗi tín hiệu của tế bào, do đó chứng minh giả thuyết rằng việc mở các kênh anion là cần thiết và đủ để đóng khí khổng. Việc tiếp xúc với ánh sáng gần như đã ngăn cản hoàn toàn sự thoát hơi nước của cây.

Với kiến ​​thức này, bây giờ có thể trồng cây với số lượng đường dẫn anion tăng lên trong các ô bảo vệ. Các cây được trang bị theo cách này sẽ đóng khí khổng nhanh hơn để đối phó với các đợt nắng nóng đang đến gần và do đó có khả năng chống chọi tốt hơn với các thời kỳ hạn hán.

"Các đường dẫn anion thực vật được kích hoạt trong quá trình căng thẳng, quá trình này phụ thuộc vào canxi. Trong một dự án di truyền quang học tiếp theo và để hiểu, chúng tôi muốn sử dụng các đường dẫn canxi để cho phép canxi đặc biệt chảy vào các tế bào bảo vệ thông qua tiếp xúc với ánh sáng”, Hedrich nói.

Các nghiên cứu khoa học cơ bản cũng có thể được hưởng lợi từ các kết quả từ Würzburg. "Công cụ di truyền quang học mới của chúng tôi có tiềm năng nghiên cứu rất lớn. Với điều này, chúng ta có thể có được những hiểu biết mới về cách thực vật điều chỉnh lượng nước tiêu thụ và cách thức kết hợp giữa cố định carbon dioxide và chuyển động của khí khổng", giáo sư JMU nói.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org