Hơn 50 năm trước, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng thực vật có thể cảm nhận được nồng độ carbon dioxide (CO2). Khi nồng độ CO2 thay đổi, các lỗ thở trong lá được gọi là khí khổng mở ra và đóng lại, do đó kiểm soát sự bay hơi của nước, quá trình quang hợp và sự phát triển của cây. Thực vật mất hơn 90% lượng nước do bốc hơi qua khí khổng. Quy định về việc mở lỗ khí khổng bằng CO2 là rất quan trọng để xác định lượng nước thực vật mất đi trong bối cảnh tác động của carbon dioxide gia tăng đối với khí hậu và tài nguyên nước trong một thế giới đang nóng lên.
Các nhà sinh vật học của UC San Diego đã mở khóa câu đố về cách thực vật cảm nhận được khí carbon dioxide, một chức năng chính khi thực vật phản ứng với khí hậu trong một thế giới đang nóng lên. Nguồn: iStock.com/mariaflaya.
Nhưng việc xác định cảm biến carbon dioxide và giải thích cách nó hoạt động trong thực vật vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải.
Sử dụng kết hợp nhiều công cụ và phương pháp nghiên cứu, các nhà khoa học tại Đại học California San Diego gần đây đã đạt được bước đột phá trong việc xác định cảm biến CO2 được tìm kiếm từ lâu trong cây Arabidopsis và làm sáng tỏ các bộ phận hoạt động của nó. Nhà khoa học dự án Trường Đại học San Diego Yohei Takahashi, Trường Khoa học Sinh học Giáo sư Julian Schroeder và các đồng nghiệp của họ đã xác định cơ chế cảm biến CO2 và trình bày chi tiết các đặc tính cấu trúc di truyền, sinh hóa, sinh lý của CO2. Kết quả của họ được công bố trên tạp chí Science Advances.
Vì các lỗ khí khổng kiểm soát sự mất nước của cây nên cảm biến rất quan trọng đối với việc quản lý nước và có ý nghĩa đối với hạn hán, cháy rừng và quản lý cây trồng nông nghiệp.
Schroeder, Chủ tịch Novartis và thành viên khoa Sinh học Tế bào và Phát triển cho biết: “Đối với mỗi phân tử carbon dioxide được hấp thụ, một loại cây điển hình sẽ mất khoảng 200 đến 500 phân tử nước để bay hơi qua các lỗ khí khổng. Cảm biến cực kỳ phù hợp vì nó nhận biết khi nào nồng độ CO2 tăng lên và xác định lượng nước mà cây trồng mất đi khi carbon dioxide được hấp thụ”.
Một bất ngờ quan trọng từ nghiên cứu mới là thành phần của cảm biến. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cảm biến hoạt động thông qua hai protein thực vật hoạt động cùng nhau. Chúng được xác định là protein kinase “nhiệt độ lá cao1” được gọi là HT1 và các thành viên cụ thể của họ protein kinase được hoạt hóa bằng nguyên phân, hoặc enzyme kinase “MAP”, được gọi là MPK4 và MPK12.
Takahashi, người hiện đang làm việc tại Viện Phân tử sinh học biến đổi, Nhật Bản cho biết: “Phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng thực vật cảm nhận được sự thay đổi nồng độ CO2 bằng sự tương tác thuận nghịch của hai loại protein để điều chỉnh chuyển động của khí khổng. Điều này có thể cung cấp cho chúng tôi một mục tiêu hóa học và kỹ thuật thực vật mới hướng tới việc sử dụng nước hiệu quả cho thực vật và hấp thụ CO2 từ khí quyển”.
Phát hiện của nhóm có thể dẫn đến những đổi mới trong việc sử dụng nước hiệu quả của thực vật khi mức CO2 tăng lên.
Schroeder cho biết: “Rễ ăn sâu của cây có thể làm khô đất nếu không có mưa trong thời gian dài, điều này có thể dẫn đến cháy rừng. Nếu chúng ta có thể sử dụng thông tin mới này để giúp cây cối phản ứng tốt hơn với sự gia tăng CO2 trong khí quyển, thì có thể chúng sẽ làm khô đất chậm hơn. Tương tự như vậy, hiệu quả sử dụng nước của cây trồng có thể được cải thiện”.
Để tiếp tục khám phá khám phá cảm biến của họ, các nhà nghiên cứu đã hợp tác với Christian Seitz và Giáo sư Andrew McCammon tại Khoa Hóa học và Hóa sinh. Sử dụng các kỹ thuật tiên tiến, Seitz và McCammon đã tạo ra một mô hình chi tiết về cấu trúc phức tạp của cảm biến. Mô hình liên quan đến các khu vực nơi đột biến gien hạn chế khả năng điều chỉnh sự thoát hơi nước của thực vật để đáp ứng với carbon dioxide. Hình ảnh mới cho thấy các đột biến tụ lại trong một khu vực nơi hai protein cảm biến, HT1 và MPK, kết hợp với nhau.
Matthew Buechner, Giám đốc chương trình tại Cục Khoa học Sinh học của Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ, cơ quan hỗ trợ nghiên cứu cho biết: “Nghiên cứu này giúp tạo ra các loại cây trồng khỏe mạnh hơn”.
Lê Hồng Vân - Mard, theo Sciencedaily.
