Đường là bộ phận giảm nhiệt ẩn trong cây cối

Trong một thập kỷ, nhiều nhà khoa học tin rằng cây cối cảm nhận được nhiệt độ chủ yếu thông qua các protein đặc biệt, và chủ yếu về đêm khi không khí trở nên mát hơn. Nghiên cứu mới cho thấy trong thời gian vào ban ngày, một tín hiệu khác cũng làm được điều đó nhưng bị bỏ qua.

Đường, được tạo ra dưới ánh mặt trời, giúp cây cỏ giảm nhiệt và quyết định khi nào thì tăng trưởng.

Nghiên cứu mới do Meng Chen, một giáo sư sinh học tế bào ở ĐH California, Riverside dẫn dắt, chứng tỏ là thực vật phụ thuộc vào vô số hệ thống cảm biến nhiệt, và đường đóng vai trò trung tâm và vai trò chưa được ghi nhận trước đây trong phản hồi nhiệt độ ban ngày. Phát hiện này, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, đã tái định hình quan điểm tồn tại đã lâu về cách cây cối tương tác với môi trường chúng sống và có thể ảnh hưởng đến các chiến lược tương lai với nông nghiệp chống chịu khí hậu.

“Các cuốn sách của chúng ta đều nói là các protein như phytochrome B và nở hoa sớm 3 (ELF3) là những cảm biến nhiệt chủ yếu trong cây cối”, Chen nói. “Nhưng những mô hình đó đều dựa trên dữ liệu ban đêm. Chúng tôi thì muốn biết điều gì xảy ra vào ban ngày, khi ánh sáng và nhiệt độ đều cao, bởi vì đó là những điều kiện mà cây cối nếm trải nhiều nhất trên thực tế”.

Để nghiên cứu theo hướng này, các nhà khoa học đã sử dụng Arabidopsis, một loài thực vật có hoa nhỏ được nhiều phòng thí nghiệm di truyền ưa thích. Họ cho các hạt giống trải qua một dải nhiệt độ ở các mức khác nhau, từ 12 đến 27 độ C, dưới những điều kiện ánh sáng khác nhau, và dò theo độ dãn dài của các mầm hạt, hypocotyls – một chỉ dấu cổ điển về sự phản hồi tăng trưởng với mức nhiệt ấm.

Họ phát hiện ra là phytochrome B, một protein nhạy sáng, có thể chỉ dò được nhiệt dưới điều kiện ánh sáng yếu. Trong những điều kiện ánh sáng bắt chước ánh mặt trời vào buổi trưa, chức năng nhạy nhiệt của nó đã giảm đi một cách đáng kể. Tuy nhiên, cây vẫn phải hồi được vơi nhiệt, tăng trưởng cao hơn ngay cả khi vai trò nhạy nhiệt của phytochrome B bị giảm nhiều. Điều đó chỉ ra có sự hiện diện của các cảm biến khác, Chen nói.

Một manh mối đến từ các nghiên cứu về đột biến phytochrome B thiếu chức năng cảm nhiệt. Các cây đột biến đó có thể phản hồi với nhiệt độ ấm áp chỉ khi lớn lên dưới ánh sáng. Khi tăng trưởng trong bóng tối, không có quang hợp, chúng thiếu chloroplasts và không thể cao hơn nữa trong quá trình phản hồi với mức nhiệt ấm áp. Nhưng khi các nhà nghiên cứu cung cấp cho môi trường tăng trưởng đường, sự phản hồi nhiệt đã trở lại.

“Lúc đó chúng tôi chợt nhận ra là đường không chỉ tiếp nhiên liệu cho quá trình tăng trưởng”, Chen nói. “Nó đóng vai trò như một tín hiệu, nói với cây cối rằng môi trường thật ấm áp”.

Những thí nghiệm tiếp theo chứng tỏ các mức nhiệt cao hơn kích hoạt sự phá vỡ tinh bột lưu trữ trong lá, giải phóng đường sucrose. Loại đường này hóa ra được điều chỉnh thành một protein tên là PIF4, một nhà điều phối bậc thầy của tăng trưởng. Thiếu đường sucrose, PIF4 suy giảm nhanh chóng nhưng khi có nó, protein này tích tụ nhưng chỉ hoạt động khi có một cảm biến khác, ELF3, cũng phản hồi với nhiệt bằng cách tránh xa.

“PIF4 cần hai điều: đường để lan tỏa sang xung quanh, và sự tự do  chống lại sự ức chế. Nhiệt độ giúp cung cấp cả hai”, Chen giải thích.

Nghiên cứu tiết lộ một hệ thống đa lớp đa sắc thái. Suốt cả ngày, khi ánh sáng được sử dụng như nguồn năng lượng để cố định carbon dioxit thành đường, cây cối cũng tiến hóa một cơ chế dựa trên đường để cảm nhận những thay đổi môi trường. Khi nhiệt độ tăng, tinh bột lưu trữ được chuyển hóa thành đường, qua đó cho phép các protein tăng trưởng chính làm tốt việc của mình.

Phát hiện mới có thể có những gợi ý trong thực tiễn. Khi biến đổi khí hậu tạo ra những mức cực đoan về nhiệt độ, hiểu biết về thời gian và cách thức cây cối cảm nhận nhiệt có thể giúp các nhà khoa học tạo ra các giống cây trồng có khả năng tăng trưởng dưới các sức ép nhiệt tốt hơn.

“Điều này thay đổi cách chúng ta nghĩ về cảm nhận nhiệt ở cây cối”, Chen nói. “Nó không chỉ về sự nghịch đảo của các protein mà còn về năng lượng, ánh sáng, đường”.

Phát hiện này thêm một lần nữa nhấn mạnh vào sự phức tạp lặng lẽ của thế giới thực vật. Trong trạng thái mờ nhòe của quang hợp và lưu trữ tinh bộ là một sự thông minh ẩn dấu: một thứ biết, một cách ngọt ngào và chính xác, khi nào là thời điểm vươn mình hướng lên bầu trời xanh.

Thanh Hương dịch từ University of California – Riverside

Nguồn: https://news.ucr.edu/articles/2025/07/01/sugar-hidden-thermostat-plants