Thực hiện: Takaki Yamauchi/Đại học Nagoya.
Cây trồng ở vùng đất ngập nước có khả năng chống ngập úng cao do sự hình thành của các “mô khí sinh lý”, các đường dẫn khí giúp chuyển khí đến phần rễ ngập nước. Các kênh này cũng giúp cây trồng chịu được khô hạn và thiếu chất dinh dưỡng. Giờ đây, các nhà khoa học từ Nhật Bản đang nghiên cứu cơ chế căn bản của sự hình thành mô khí để hiểu rõ hơn về hiện tượng này, mở ra cánh cửa cho sự phát triển các loại cây trồng có khả năng chống chịu với những thay đổi của thời tiết khắc nghiệt.
Lũ lụt và hạn hán là những thảm họa môi trường chính gây ra hầu hết các vụ mất mùa. Sự hình thành mô khí có thể giúp cây trồng đối phó với những áp lực môi trường này. Tuy nhiên, nó không thường được quan sát thấy ở các loài không phải ở đất ngập nước như lúa mì và ngô, là những cây lương thực chính ở một số khu vực trên thế giới. Các nhà nghiên cứu Takaki Yamauchi và Mikio Nakazono từ Đại học Nagoya, Nhật Bản, đã khảo sát các tài liệu về chủ đề này để có cái nhìn tổng thể về các yếu tố khác nhau liên quan đến sự hình thành mô khí. Tiến sỹ Nakazono cho biết: “Nếu chúng ta có thể kiểm soát về mặt di truyền thời gian và số lượng của sự hình thành mô khí sinh lý trong rễ của tất cả các loại cây trồng quan trọng về mặt nông học, chẳng hạn như ngô, lúa mì và đậu tương, thì lượng nông sản mất mùa toàn cầu có thể giảm đáng kể.
Tiến sỹ Yamauchi và tiến sỹ Nakazono đề xuất hình dung ra mô khí sinh lý của một ống thở được sử dụng để thở dưới nước. Trong thời gian ngập úng, rễ cây bị mất lượng oxy và các khí quan trọng khác cần thiết cho sự tồn tại. Để đáp lại, cây tạo ra các đường dẫn khí nối các vùng ngập nước của cây với các bộ phận ở trên mặt nước. Tương tự như ống thở, các đường dẫn này giúp cây "thở" bằng cách vận chuyển khí đến các rễ ngập nước. Hơn nữa, các kênh không khí làm giảm nhu cầu năng lượng cho quá trình hô hấp và có thể giúp cây bảo tồn năng lượng trong điều kiện khắc nghiệt của hạn hán hoặc thiếu hụt chất dinh dưỡng.
Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng một hormone thực vật được gọi là "auxin" cần thiết cho sự hình thành mô khí trong quá trình phát triển bình thường của rễ và xác định được hai yếu tố dẫn đến sự hình thành mô khí để phản ứng với lũ lụt. Hiện tượng bắt đầu xảy ra khi rễ ngập dưới nước trong điều kiện hiếu khí. Những hạn chế đối với sự trao đổi khí khiến cho ethylene tích tụ trong rễ, điều này tác động sản sinh ra chất tương đồng oxy hóa bùng nổ hô hấp (RBOH) - một loại enzyme chịu trách nhiệm sản xuất các loại oxy phản ứng (ROS). Điều này có nghĩa, ROS được giải phóng sẽ kích hoạt tế bào chết trong các mô, tạo thành các lỗ để khí đi qua.
RBOH cũng có thể được kích hoạt bởi sự hiện diện của các ion canxi (Ca2+) được vận chuyển từ không gian bên ngoài màng sinh chất (đường dẫn nước). Một số cây nhất định có protein kinase phụ thuộc canxi sử dụng Ca2+ để thêm phốt phát vào RBOH, kích thích nó tạo ra ROS. Hiệu ứng này xảy ra ở các giai đoạn sau khi cây dần dần gặp phải tình trạng thiếu oxy sau khi bị ngập dưới nước kéo dài.
Trong khi mô khí chủ yếu liên quan đến các cây đã thích nghi với đất có hàm lượng nước cao, nó cũng có thể phát triển ở các cây trồng cạn trong điều kiện khô hạn và thiếu chất dinh dưỡng. Nồng độ thấp của nitơ và phốt pho, những chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, được phát hiện là làm tăng độ nhạy với ethylene, kích thích sự hình thành mô khí. Hơn nữa, ethylene cũng là một yếu tố phổ biến trong việc kích hoạt mô khí ở ngô, đưa ra một cách để cải thiện khả năng phục hồi của cây trồng. Tiến sỹ Yamauchi suy đoán: “Sự gia tăng độ nhạy với ethylene có thể là một chiến lược hiệu quả để kích thích sự hình thành mô khí trong trường hợp không có sự khuếch tán khí bị hạn chế”.
Trong khi cơ chế bên cạnh sự hình thành mô khí vẫn chưa chắc chắn, cho thấy cần phải nghiên cứu thêm, những phát hiện của nghiên cứu này mở ra khả năng cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng và mở đường cho an ninh lương thực tốt hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org
