Ánh sáng và nhiệt độ kết hợp với nhau ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển của cây

Phát hiện được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 29 tháng 8 năm 2022, sẽ giúp các nhà khoa học dự đoán cách thực vật sẽ ứng phó với biến đổi khí hậu và tăng năng suất cây trồng bất chấp sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu có hại cho năng suất.

Tác giả nghiên cứu, Giáo sư Joanne Chory, Giám đốc Phòng thí nghiệm Sinh học Tế bào và Phân tử Thực vật của Salk và Howard, cho biết: “Hiện tại, chúng tôi trồng cây trồng ở một số mật độ nhất định, nhưng phát hiện của chúng tôi chỉ ra rằng chúng tôi sẽ cần giảm mật độ này để tối ưu hóa sự tăng trưởng khi khí hậu của chúng tôi thay đổi. Hiểu cơ sở phân tử về cách thực vật phản ứng với ánh sáng và nhiệt độ sẽ cho phép chúng tôi tinh chỉnh mật độ cây trồng theo cách cụ thể để dẫn đến năng suất tốt nhất”.

Trong quá trình nảy mầm, cây con nhanh chóng kéo dài thân để xuyên qua lớp đất che phủ đón ánh sáng mặt trời càng nhanh càng tốt. Thông thường, thân cây sẽ chậm phát triển sau khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời. Nhưng thân cây có thể dài ra nhanh chóng trở lại nếu cây đang cạnh tranh với các cây xung quanh về ánh sáng mặt trời, hoặc phản ứng với nhiệt độ ấm áp để tăng khoảng cách giữa mặt đất nóng và lá của cây. Trong khi cả hai điều kiện môi trường - bóng râm của tán và nhiệt độ ấm - đều tạo ra sự phát triển của thân, chúng cũng làm giảm năng suất.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã so sánh đồng thời các cây mọc trong bóng râm và nhiệt độ ấm áp - một điều kiện bắt chước mật độ cây trồng cao và sự thay đổi khí hậu. Các nhà khoa học đã sử dụng mô hình cây Arabidopsis thaliana, cũng như cà chua và một loại cây họ hàng gần của cây thuốc lá, vì họ muốn xem liệu cả ba loài thực vật có bị ảnh hưởng tương tự bởi điều kiện môi trường này hay không.

Trên cả ba loài, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng các cây này phát triển cực cao khi đồng thời cố gắng tránh bóng râm tạo ra bởi các cây lân cận và tiếp xúc với nhiệt độ ấm hơn. Ở cấp độ phân tử, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng yếu tố phiên mã PIF7, một loại protein giúp kích hoạt các gien bật và tắt, là yếu tố chi phối thúc đẩy sự tăng trưởng nhanh chóng. Họ cũng phát hiện ra rằng hormone tăng trưởng auxin tăng lên khi cây trồng phát hiện ra các cây lân cận, giúp thúc đẩy sự phát triển để đáp ứng với nhiệt độ ấm hơn. Con đường PIF7-auxin tổng hợp này cho phép cây trồng phản ứng với môi trường của chúng và thích nghi để tìm kiếm các điều kiện phát triển tốt nhất.

Một yếu tố phiên mã liên quan, PIF4, cũng kích thích sự kéo dài của thân cây khi nhiệt độ ấm. Tuy nhiên, khi bóng râm và nhiệt độ tăng được kết hợp, yếu tố này không còn đóng vai trò quan trọng nữa.

Tác giả đầu tiên Yogev Burko, nhà nghiên cứu nhân viên Salk và trợ lý Giáo sư tại Tổ chức Nghiên cứu Nông nghiệp tại Israel cho biết: Thực tế là PIF7 là động lực chính thúc đẩy sự phát triển của cây trồng là một bất ngờ thực sự. Với kiến ​​thức mới này, chúng tôi hy vọng sẽ điều chỉnh phản ứng tăng trưởng này ở các loại cây trồng khác nhau để giúp chúng thích ứng với biến đổi khí hậu.

Các nhà nghiên cứu tin rằng có một tác nhân khác, vẫn chưa được phát hiện, đang thúc đẩy tác dụng của PIF7 và auxin. Họ hy vọng sẽ khám phá yếu tố chưa biết này trong các nghiên cứu trong tương lai.

Chory, người đồng chỉ đạo Sáng kiến ​​Khai thác Thực vật của Salk và giữ chức Chủ tịch Sinh học Thực vật, cho biết: “Nhiệt độ toàn cầu đang tăng lên, vì vậy chúng ta cần các loại cây lương thực có thể phát triển mạnh trong những điều kiện mới này. Chúng tôi đã xác định các yếu tố chính điều chỉnh sự phát triển của thực vật trong thời gian nhiệt độ ấm áp, điều này sẽ giúp chúng tôi phát triển các loại cây trồng có năng suất tốt hơn để cung cấp lương thực cho các thế hệ tương lai”.