Thực vật phản ứng với mức CO2 tăng như thế nào

Trong một bài báo trên Tạp chí Nature, họ công bố phát hiện ra một quá trình di truyền mới ở thực vật, được tạo nên từ bốn gen ở ba họ gen khác nhau kiểm soát mật độ các lỗ hô hấp - hay "lỗ khí khổng" - ở lá cây để đáp ứng với nồng độ CO₂tăng cao.

Phát hiện của họ sẽ giúp các nhà sinh học hiểu rõ hơn về sự gia tăng mức CO ₂trong bầu khí quyển của chúng ta (mùa xuân năm ngoái, lần đầu tiên trong lịch sử, duy trì ở mức trên 400 phần triệu) đang ảnh hưởng đến khả năng của thực vật và các cây trồng quan trọng đối phó với áp lực nhiệt độ và hạn hán như thế nào. Khám phá này cũng cung cấp cho các nhà nông học các công cụ mới để tạo ra các loại thực vật và cây trồng có thể đối phó với hạn hán và nắng nóng.

"Với mỗi phân tử CO ₂được đưa vào cây thông qua quang hợp, cây mất khoảng 200 trăm phân tử nước qua lỗ khí khổng của chúng", Julian Schroeder, Giáo sư sinh học, người đứng đầu nghiên cứu, giải thích. "Do CO ₂tăng lên làm giảm mật độ lỗ khí khổng trên lá, nên có thể thấy ngay điều này giúp cho cây mất ít nước hơn. Tuy nhiên, việc giảm số lượng các lỗ khí khổng sẽ làm giảm khả năng làm mát lá của cây thông qua sự bốc hơi nước. Ít bay hơi làm tăng thêm áp lực nhiệt lên cây, dẫn đến ảnh hưởng đến năng suất cây trồng".

"Nghiên cứu của chúng tôi nhằm mục đích tìm hiểu các cơ chế và các gen cơ bản qua đó CO ₂ức chế sự phát triển lỗ khí khổng", Schroeder nói. Nghiên cứu cây mù tạt nhỏ có tên là Arabidopsis, được sử dụng như một mô hình di truyền và có chung nhiều gen tương tự như các thực vật và cây trồng khác, ông và nhóm các nhà sinh học đã phát hiện ra rằng các protein được mã hóa bởi bốn gen họ phát hiện ra ức chế sự phát triển của lỗ khí khổng ở các mức CO ₂tăng lên.

Kết hợp sinh học hệ thống với các kỹ thuật tin sinh học, các nhà khoa học đã khéo léo phân lập các protein, mà khi đột biến, chúng loại bỏ khả năng của cây phản ứng với áp lực CO ₂. Cawas Engineer, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, đã phát hiện ra rằng khi cây nhận thấy mức CO ₂trong khí quyển tăng lên, chúng tăng biểu hiện của một hormone peptide quan trọng được gọi là biểu bì Patterning Factor-2, EPF2.

"Các peptide EPF2 hoạt động như một tác nhân tạo hình (morphogen) làm thay đổi tính chất tế bào gốc trong lớp biểu bì phát triển lá và ngăn chặn sự hình thành các lỗ khí khổng ở mức CO ₂tăng cao", Engineer giải thích.

Do protein khác có tên protease là cần thiết để kích hoạt peptide EPF2, các nhà khoa học cũng sử dụng phương pháp "bộ protein" (proteomics) để xác định một protein mới phản ứng với CO ₂mà họ gọi là CRSP (CO ₂ Response Secreted Protease), được xác định là rất quan trọng để kích hoạt peptide EPF2.

"Chúng tôi đã xác định được CRSP, một protein được tiết ra để phản ứng với các mức CO ₂trong khí quyển," Engineer nói. "CRSP đóng một vai trò tối quan trọng trong việc cho phép cây sản xuất đúng số lượng lỗ khí khổng để phản ứng với nồng độ CO ₂trong khí quyển. Bạn có thể hình dung rằng  cơ chế "cảm nhận và phản ứng" liên quan đến CRSP và EPF2 như vậy có thể được sử dụng để thiết kế các giống cây trồng có khả năng sinh trưởng tốt hơn trong điều kiện khí hậu toàn cầu có mức CO ₂cao cùng với sự suy giảm của nguồn nước ngọt cho sản xuất nông nghiệp".

Những khám phá đối với các protein và gen này có khả năng giải quyết một loạt vấn đề nông nghiệp quan trọng trong tương lai, bao gồm cả sự khan hiếm nước cho cây trồng, nhu cầu nâng cao hiệu quả sử dụng nước cho các thảm cỏ cũng như các loại cây trồng và các lo ngại của nông dân về ảnh hưởng của nắng nóng đối với cây trồng của họ khi nhiệt độ toàn cầu và nồng độ CO ₂tiếp tục gia tăng.