Nhiệt độ tăng cũng làm thay đổi quá trình quang hợp

Nhiệt độ tăng cũng làm thay đổi quá trình quang hợp 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Illinois.

Các nhà khoa học nông nghiệp đang nghiên cứu về biến đổi khí hậu thường tập trung vào việc tăng nồng độ carbon dioxide trong khí quyển sẽ ảnh hưởng như thế nào đến năng suất cây trồng. Tuy nhiên, nhiệt độ tăng cao có thể làm phức tạp toàn cảnh, các nhà nghiên cứu báo cáo trong một tổng quan đánh giá mới liên quan đến chủ đề này.

Được xuất bản trên Tạp chí Thực vật học Thực nghiệm, bài tổng quan đánh giá này khám phá yếu tố nhiệt độ cao ảnh hưởng đến sự phát triển và khả năng sống của thực vật trong điều kiện lượng CO₂ trong khí quyển sẵn có nhiều hơn (một thành phần quan trọng của quá trình quang hợp). Các nhà nghiên cứu đề cập: Nhiệt độ quá cao có thể làm giảm hiệu quả của các enzym thúc đẩy quá trình quang hợp và có thể cản trở khả năng điều chỉnh sự hấp thụ CO₂ và mất nước của thực vật. Các đặc điểm cấu trúc có thể làm cho thực vật ít nhiều hoặc ít hơn đều dễ mẫn cảm stress nhiệt. Các thuộc tính của hệ sinh thái, chẳng hạn như kích thước và mật độ của thực vật, sự sắp xếp của lá trên cây hoặc điều kiện khí quyển địa phương đều cũng ảnh hưởng đến cách nhiệt sẽ tác động đến năng suất cây trồng.

Tổng quan đánh giá mô tả những nỗ lực khoa học mới nhất để giải quyết những thách thức của vấn đề này

Tác giả chính Caitlin Moore, nghiên cứu sinh tại Đại học Tây Úc cùng với Amanda Cavanagh, một cựu sinh viên Hoa Kỳ khác, hiện đang làm việc tại Đại học Essex ở Vương quốc Anh cho biết: “Điều quan trọng là phải có hiểu biết về những vấn đề này trên nhiều quy mô - từ sinh hóa của riêng từng lá cây đến ảnh hưởng ở cấp độ hệ sinh thái nhằm thực sự giải quyết những vấn đề này một cách có hiểu biết”.

Đồng tác giả Carl Bernacchi, giáo sư sinh học thực vật và khoa học cây trồng, đồng thời là chi nhánh của Viện nghiên cứu bộ gen Carl R. Woese cho biết: “Trong lịch sử, người ta tập trung rất nhiều vào việc tăng CO₂ và tác động của nó đối với thực vật. Đó là một yếu tố quan trọng, tuy nhiên, đó là một phần nhỏ của câu chuyện lớn hơn. Một khi bạn thay đổi nhiệt độ trong hỗn hợp, nó hoàn toàn làm xáo trộn sự hiểu biết của chúng tôi về cách thực vật sẽ phản ứng".

Cavanagh cho biết: “Hãy sử dụng Rubisco, loại enzyme quan trọng giúp cố định carbon dioxide thành đường, giúp cho sự sống trên Trái đất trở nên khả thi. Rubisco tăng tốc khi nhiệt độ tăng, nhưng nó cũng dễ dẫn đến sai lầm”.

Thay vì cố định carbon dioxide bằng cách liên kết nó với đường, một bước quan trọng trong quá trình quang hợp, Rubisco đôi khi cố định oxy, tạo ra một con đường khác gây lãng phí tài nguyên của thực vật, nhiệt độ cao hơn khiến điều này dễ xảy ra hơn. Ở nhiệt độ cao hơn nữa, enzym sẽ bắt đầu mất tính toàn vẹn về cấu trúc, làm cho nó hoạt động kém hiệu quả.

Nhiệt độ vượt quá cao cũng có thể làm suy yếu sản lượng sinh sản của thực vật. Các enzym nhạy cảm với nhiệt khác rất cần thiết cho bộ máy thu hoạch ánh sáng của thực vật hoặc đóng một vai trò trong việc di chuyển đường đến các mô thực vật khác nhau, cho phép cây phát triển và tạo ra hạt hoặc trái của cây.

 “Nếu những cỗ máy phân tử nhỏ này bị đẩy ra khỏi phạm vi nhiệt độ tối ưu, thì chúng sẽ không thể thực hiện được công việc của mình”, Cavanagh đã cho biết.

Khi nhiệt độ tăng quá cao, lá cây sẽ mở các lỗ trên bề mặt của chúng, gọi là khí khổng, để tự làm mát. Khí khổng cũng cho phép thực vật hấp thụ carbon dioxide từ khí quyển, nhưng khi chúng mở hoàn toàn, lá có thể mất quá nhiều nước.

Moore cho biết: “Nhiệt độ ảnh hưởng đến bầu khí quyển ở phía trên cây. Khi bầu khí quyển nóng lên, nó có thể giữ thêm nước, vì vậy nó sẽ hút nhiều nước hơn từ cây cối”.

Các nhà khoa học tại Đại học Illinois và các nơi khác đang tìm cách tăng cường khả năng phục hồi của cây trồng khi đối mặt với những thay đổi này. Moore, người có công trình nhấn mạnh vào các yếu tố quy mô hệ sinh thái, cho biết các công cụ mới có thể giúp sàng lọc thực vật trên quy mô lớn là điều cần thiết cho nỗ lực đó. Ví dụ, các vệ tinh có thể phát hiện những thay đổi trong huỳnh quang diệp lục trong thực vật có thể cho biết cây trồng có bị stress nhiệt hay không. Những thay đổi về huỳnh quang này có thể được phát hiện trước khi cây có bất kỳ dấu hiệu nào bên ngoài của stress nhiệt - chẳng hạn như lá của chúng chuyển sang màu nâu. Việc phát triển những công cụ này có thể cho phép nông dân ứng phó nhanh hơn với stress của cây trồng trước khi thiệt hại quá lớn.

Cavanagh, người nghiên cứu về sinh học phân tử và sinh lý học của thực vật, cho biết một số loài thực vật chịu nhiệt tốt hơn những loài khác và các nhà khoa học đang tìm kiếm bộ gen của chúng để tìm manh mối cho sự thành công.

Bà cho biết: “Ví dụ, bạn có thể nhìn vào những họ hàng lúa hoang dã của Úc đang phát triển ở những vùng khí hậu khắc nghiệt hơn hầu hết các ruộng lúa khác.Và bạn biết rằng các enzym của chúng được tạo mồi để hoạt động hiệu quả hơn ở nhiệt độ nóng hơn".

Một mục tiêu là chuyển các gen chịu nhiệt cho các giống lúa trồng dễ bị stress hơn.

Các chiến lược khác bao gồm các cấu trúc kỹ thuật bơm nhiều CO₂ hơn đến vị trí cố định carbon để cải thiện hiệu quả của Rubisco, làm thay đổi đặc tính thu nhận ánh sáng của lá ở phía trên và phía dưới cây để phân bố đều ánh sáng mặt trời và duy trì độ ẩm và thay đổi mật độ khí khổng để cải thiện khả năng kiểm soát dòng CO₂ và mất độ ẩm của chúng.

Các nhà nghiên cứu cho biết, sự hợp tác giữa các nhà khoa học tập trung vào các quy mô khác nhau của hệ sinh thái và chức năng thực vật - từ khí quyển đến phân tử - đây là điều cần thiết cho sự thành công của những nỗ lực xây dựng khả năng phục hồi ở cây trồng.

“Thế giới đang trở nên nóng hơn với một mức độ gây sốc”, Cavanagh nói. “Và chúng tôi biết từ các mô hình toàn cầu rằng mỗi lần tăng nhiệt độ có thể gây thiệt hại từ 3% đến 7% năng suất của bốn loại cây trồng chính của chúng tôi. Vì vậy, đó không phải là điều chúng ta có thể bỏ qua.

“Điều khiến tôi lạc quan là nhận ra rằng có rất nhiều công việc đang được thực hiện trên toàn cầu để giải quyết vấn đề này”, bà ấy cho biết.