Trong hai ấn phẩm, các nhà sinh học Utrecht và các đồng nghiệp quốc tế mô tả các quá trình được thực vật sử dụng để thích nghi với sự ấm áp. Khám phá cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cách thực vật hoạt động tối ưu trong điều kiện nhiệt độ cao dưới mức tối ưu. Nó cũng có thể cung cấp một bước đệm để kiểm soát sự phát triển của thực vật và làm cho chúng có khả năng chống lại sự nóng lên toàn cầu tốt hơn. Các nhà nghiên cứu công bố kết quả của họ trên Tạp chí Thực vật và Truyền thông Tự nhiên.
Gấu bắc cực trên sa mạc
Tuy nhiên, nhiều loài thực vật đã phát triển các cách để đối phó với nhiệt độ cao hơn. Nhà nghiên cứu Martijn van Zanten, người liên kết với Đại học Utrecht và đã đóng góp cho cả hai ấn phẩm này cho biết: “Không giống như động vật, nhiều loài thực vật có thể thích nghi với hình dạng cơ thể của chúng để đáp ứng với sự ấm áp và các yếu tố môi trường khác. “Động vật là một câu chuyện hoàn toàn khác. Nói một cách đơn giản, nếu bạn đặt một con gấu Bắc Cực trên sa mạc, nó vẫn sẽ giống như một con gấu Bắc Cực với bộ lông dày. Nhưng nếu một cây phát triển trong điều kiện ấm hơn, nó sẽ thích nghi với hình dạng cơ thể của nó. Bằng cách này, nhà máy sẽ cố gắng hoạt động tối ưu trong những điều kiện kém thuận lợi hơn ”.
Từ dạng nhà máy nhỏ gọn đến dạng mở
Nhiều loài thực vật có thể thích nghi với hình dạng của thân và lá để chúng có khả năng chống chịu tốt hơn với nhiệt độ cao. Điều này cũng đúng với cải xoong thale (Arabidopsis thaliana), được nhiều nhà sinh học thực vật coi là mẫu cây yêu thích của họ. Trong điều kiện lạnh, những cây này nhỏ gọn và có lá gần mặt đất. Khi nhiệt độ tăng, chúng có tư thế cởi mở hơn. Ví dụ, lá trở nên thẳng đứng hơn. Điều này làm giảm đáng kể bức xạ trực tiếp từ mặt trời. Ngoài ra, cuống lá sẽ căng ra, giúp gió có nhiều hơn qua lá và tản nhiệt.
Kéo dài mong muốn và không mong muốn
Tuy nhiên, trong các loại cây trồng và hoa (đã cắt), kiểu kéo dài này thường không mong muốn. Người trồng muốn kiểm soát những thay đổi này vì kéo dài có thể cản trở chất lượng sản phẩm. “Nhưng đồng thời, sự thích ứng là cần thiết để cây trồng chống chịu tốt hơn với nhiệt độ cao hơn do biến đổi khí hậu. Van Zanten nói rằng điều đó là cần thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn.
Làm cho cây trồng thích nghi với khí hậu hơn
Van Zanten nói: “Nhiều loại cây trồng đã mất khả năng phản ứng tốt với nhiệt độ cao hơn. "Trong các loại cây trồng khác nhau, nó đã biến mất trong quá trình thuần hóa và nhân giống vì các nhà lai tạo chủ yếu tập trung vào các đặc điểm khác."
Với sự thay đổi khí hậu làm tăng nhiệt độ, Van Zanten cho biết ngày càng có nhu cầu làm cho các loài thực vật có khả năng chịu khí hậu tốt hơn. “Điều này đòi hỏi kiến thức về cách thực vật đối phó với nhiệt độ cao hơn. Làm thế nào để chúng chuyển đổi các tín hiệu nhiệt độ mà chúng nhận được thành các thích nghi tăng trưởng? Nghiên cứu các cơ chế phân tử mà thực vật thích nghi với nhiệt độ dưới mức tối ưu, cho phép tạo ra các công cụ để điều chỉnh cấu trúc của cây trồng thông qua nhân giống ”.
Cơ chế phân tử chuyển sang tư thế nhiệt
Cây cải xoong không còn thích nghi với nhiệt độ cao hơn có thể lấy lại khả năng đó khi tiếp xúc với một số hóa chất. Điều này được phát hiện bởi một nhóm nghiên cứu quốc tế do Van Zanten dẫn đầu. Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm một số lượng lớn các chất trên một loại cải xoong đột biến không còn thích nghi với nhiệt độ cao. Họ đã tìm thấy một phân tử có thể 'bật' sự thích nghi với nhiệt độ cao ở cây non, ngay cả ở nhiệt độ thấp.
Các nhà nghiên cứu gọi hợp chất này là 'Heatin'. Bằng cách thay đổi hóa học phân tử và sau đó nghiên cứu loại protein nào có thể liên kết với nhiệt độ nóng, họ đã tìm ra một nhóm protein được gọi là nitrilase. Phân nhóm đã xác định được biết là chỉ xuất hiện ở cải bắp và các loài có liên quan, bao gồm cả cải xoong.
Cùng với một công ty nhân giống thực vật, các nhà sinh vật học đã phát hiện ra rằng thực sự các loài bắp cải phản ứng với sự sưởi ấm. Họ cũng phát hiện ra rằng các nitrilase cần thiết để thích nghi với nhiệt độ cao, có thể là do chúng cho phép sản xuất hormone tăng trưởng nổi tiếng auxin. Các nhà nghiên cứu đã công bố khám phá này trên Tạp chí Thực vật.
Con đường mới để thích ứng với nhiệt độ cao
Việc công bố kết quả Heatin trùng với một công bố khác, hôm nay trên tạp chí Nature Communications. Nghiên cứu này do các nhà khoa học tại Viện VIB ở Bỉ dẫn đầu, với sự tham gia của Van Zanten. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra một loại protein chưa được mô tả trước đây có chức năng điều chỉnh cách thực vật thích nghi với môi trường ấm hơn. Protein được đặt tên là MAP4K4 / TOT3, với TOT có nghĩa là Mục tiêu của Nhiệt độ.
Đáng chú ý, quá trình điều khiển TOT3 phần lớn độc lập với tất cả các con đường tín hiệu khác mà các nhà sinh học cho đến nay có liên quan đến sự thích nghi với độ ấm ở thực vật. Ngoài ra, sự thích nghi của TOT3 dường như không phụ thuộc vào lượng và thành phần ánh sáng chiếu vào cây.
Van Zanten: “Có rất nhiều sự chồng chéo trong cơ chế phân tử mà thực vật thích nghi với sự phát triển thay đổi thành phần ánh sáng và nhiệt độ cao. Với TOT3, giờ đây chúng tôi đã có trong tay một yếu tố giúp chúng tôi có thể kiểm soát sự phát triển trong điều kiện nhiệt độ cao mà không ảnh hưởng đến cách cây trồng đối phó với ánh sáng. "
Ứng dụng rộng rãi
Van Zanten cho biết: “Điều khiến nó thú vị hơn nữa là TOT3 đóng một vai trò tương tự trong việc thích nghi sinh trưởng dưới nhiệt độ cao ở cả cải xoong và lúa mì. Hai loài đó khá tách biệt về mặt di truyền với nhau. Vì vậy, điều đó mang lại tiềm năng lớn cho các ứng dụng rộng rãi. ”
Thay thế cho chất ức chế tăng trưởng
Cuối cùng, những khám phá về TOT3 và vai trò của nitrilase có thể giúp tiếp tục trồng đủ loại cây trồng, ngay cả khi nhiệt độ tăng do biến đổi khí hậu. Các khám phá cũng mang lại cơ hội phát triển các giải pháp thay thế cho các hóa chất hiện nay thường được sử dụng để ức chế sự phát triển của thực vật. Ví dụ, Van Zanten đề cập đến hoa cắt cành, chúng phản ứng rất mạnh với sự dao động nhiệt độ. Do đó, trong nghề trồng hoa, nhiều chất ức chế sinh trưởng được sử dụng để giữ cho cây đẹp và nhỏ gọn.
Van Zanten nói: “Thời điểm bạn mua hoa tulip, chúng vẫn có một thân ngắn đẹp. “Nhưng sau một vài ngày trong nhà của bạn, chúng bắt đầu treo lơ lửng trên mép của chiếc bình. Nhiệt độ trong nhà cao hơn làm cho cây bị căng ra, cuối cùng khiến chúng mềm nhũn và uốn cong. Mong rằng những kiến thức mới sẽ góp phần vào việc chọn ra những giống hoa mới nở ít tàn trong điều kiện nhiệt độ cao. Bằng cách này, chúng tôi có thể giảm việc sử dụng các chất ức chế tăng trưởng có hại ”.
Để biết thêm thông tin:
Đại học Utrecht
www.uu.nl