Phát hiện mới về cơ quan tạo ra mắt giúp cây cối 'nhìn' được ánh sáng

Một nhóm các nhà sinh vật học và kỹ sư người Thụy Sĩ do Giáo sư Christian Fankhauser tại Đại học Lausanne đã phát hiện ra rằng mô thực vật nhạy cảm với ánh sáng sử dụng các đặc tính quang học của bề mặt phân cách giữa không khí và nước để tạo ra một dải ánh sáng (gradient) mà thực vật “có thể nhìn thấy”.

Bài nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Khoa học với tên “Các kênh không khí tạo ra tín hiệu ánh sáng định hướng để điều chỉnh quá trình quang dẫn của trụ dưới lá mầm”.

Hầu hết các sinh vật - vi sinh vật, thực vật và động vật mà ta không thể nhìn thấy bằng mắt thường đều có khả năng phát hiện nguồn sáng, ngay cả khi chúng không có cơ quan thị giác tương đương với mắt.

Khi cây con xuất hiện, thân phôi của chúng mở ra và kéo dài khi chúng phát triển về phía ánh sáng. Cảm nhận được nơi ánh sáng chiếu tới đặc biệt quan trọng đối với thực vật, chúng sử dụng thông tin này để định vị các cơ quan của chúng, một hiện tượng được gọi là tính hướng quang. Điều này giúp chúng có thể thu được nhiều tia sáng hơn, sau đó chúng chuyển đổi ánh sáng thành năng lượng hóa học thông qua quá trình quang hợp - một quá trình quan trọng cần thiết để sản xuất (trực tiếp và gián tiếp) gần như tất cả thực phẩm mà con người ăn.

Mặc dù cơ quan cảm quang kích hoạt tính hướng quang đã được biết đến từ lâu nhưng tính chất quang học của mô thực vật nhạy cảm với ánh sáng cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn. Nghiên cứu đa ngành mới đã phát hiện ra một đặc điểm mô đáng ngạc nhiên cho phép thực vật phát hiện các tín hiệu ánh sáng

Giáo sư Fankhauser nhớ lại: “Tất cả bắt đầu bằng việc quan sát một đột biến của loài Arabidopsis thaliana - loài cải xoong, có thân trong suốt một cách đáng ngạc nhiên. Những cây này không phản ứng chính xác với ánh sáng. Các thành viên trong nhóm đã so sánh một số đặc tính quang học cụ thể của mẫu đột biến và mẫu hoang dã. Chúng tôi phát hiện ra rằng vẻ ngoài trắng đục tự nhiên của thân cây dại non trên thực tế là do sự hiện diện của không khí trong các kênh gian bào (ở giữa các tế bào) nằm chính xác trong các mô khác nhau. Trong mẫu cây đột biến, không khí được thay thế bằng chất lỏng chứa nước, khiến chúng có vẻ ngoài trong mờ”.

Nhưng những kênh chứa đầy không khí như vậy phục vụ mục đích gì? Chúng cho phép thân cây cảm quang thiết lập một gradient ánh sáng mà cây có thể “đọc” được, sau đó có thể xác định ra nguồn sáng. Hiện tượng này do tính chất quang học khác nhau của không khí và nước tạo nên phần lớn các mô sống.

Martina Legris, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của Giáo sư Fankhauser và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, giải thích cụ thể hơn: "Không khí và nước có chiết xuất ánh sáng khác nhau. Điều này dẫn đến sự tán xạ khi ánh sáng đi qua cây con. Tất cả chúng ta đều đã quan sát thấy hiện tượng này khi chiêm ngưỡng cầu vồng".

Nhờ nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đã tiết lộ một cơ chế mới cho phép các sinh vật nhận biết ánh sáng đến từ đâu, cho phép chúng định vị các cơ quan như lá theo cách tối ưu hóa việc hấp thụ ánh sáng để quang hợp. Nghiên cứu cũng cung cấp sự hiểu biết tốt hơn về sự hình thành các kênh gian bào chứa đầy không khí, có nhiều chức năng ở thực vật, bên cạnh sự hình thành các dải ánh sáng.

Họ kết luận, trong số những ứng dụng khác, các kênh này thúc đẩy trao đổi khí và cũng giúp chống lại tình trạng thiếu oxy (giảm lượng oxy) trong trường hợp bị lụt úng. Sự phát triển của chúng từ giai đoạn phôi thai đến tuổi trưởng thành vẫn chưa được hiểu rõ, nhưng nguồn gien được sử dụng trong nghiên cứu này sẽ hữu ích để hiểu rõ hơn về sự hình thành và duy trì các cấu trúc hấp dẫn này.

Hầu hết mọi khía cạnh của quá trình sinh trưởng và phát triển của cây đều chịu ảnh hưởng của ánh sáng. Thực vật có thể cảm nhận ánh sáng, cũng như nhiệt độ, nhờ một loại protein gọi là phytochrome B. Protein này truyền thông tin ánh sáng vào tế bào làm thay đổi sự biểu hiện của bộ gien, làm thay đổi sự phát triển của thực vật. Tuy nhiên, phytochrome B không thể tương tác trực tiếp với ADN của cây. Để làm được điều đó, các tế bào thực vật dựa vào một họ gồm 8 loại protein được gọi là PIF.

Tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư thực vật học của Đại học Riverside, Meng Chen cho biết: Hoạt động của các PIF này được kiểm soát trực tiếp bởi phytochrome. Ngoài việc kiểm soát lượng PIFs tích tụ trong tế bào thực vật, các nhà khoa học đã biết được rằng khi phytochrome B được kích hoạt bởi ánh sáng, nó sẽ ức chế hoạt động của PIFs.

Khám phá có thể cho phép các nhà khoa học bật và tắt các gien liên quan đến nhiệt độ và ánh sáng để mang lại lợi ích cho người trồng trọt.

Một phần của chiến lược để tăng năng suất cây trồng là trồng nhiều cây hơn trên một mẫu đất. Hiện tại, nếu bạn đặt cây trồng quá gần nhau, cây sẽ sử dụng nhiều năng lượng hơn để phát triển cao hơn về phía ánh sáng, nhưng không nhất thiết để tối đa hóa sự phát triển của lá và sản xuất hạt giống. Ngoài ra, nếu cây trồng có thể tập trung vào sản xuất lá và hạt thay vì phát triển cao hơn, người trồng có thể tăng năng suất trên cùng một diện tích.