Vì sao một số cây nhiệt đới nhận carbon dioxide vào ban đêm?

Khoảng năm 1800, Alexander von Humboldt nhận thấy một chiếc lá nhiệt đới đặt trong nước không tạo ra những bọt khí như ông dự đoán, dù đang ở dưới ánh sáng. Điều bất thường ấy gợi mở một câu hỏi: có phải chiếc lá đang quang hợp theo một thời gian biểu khác? Câu trả lời nằm ở CAM, cơ chế cho phép một số cây nhận carbon dioxide vào ban đêm để giảm mất nước ban ngày. [1]

Ở những cây này, khí khổng không mở vào lúc nắng nóng để trao đổi khí như cách thường thấy. Chúng mở vào ban đêm, nhận carbon dioxide rồi tạm giữ nó dưới dạng axit malic; khi trời sáng, cây dùng nguồn carbon đã dự trữ để tiếp tục các bước tạo đường. Nhờ vậy, cây có thể ưu tiên giữ nước trong thời điểm khô nóng nhất. [1]

CAM giải quyết bài toán nào?

Quang hợp cần carbon dioxide, nhưng việc nhận khí này thường buộc cây mở khí khổng, những lỗ nhỏ trên bề mặt lá. Khi khí khổng mở, hơi nước cũng dễ thoát ra ngoài, đặc biệt dưới nắng nóng. Với cây sống trong điều kiện khan nước, hai nhu cầu ấy xung đột: cây cần carbon dioxide để tạo chất hữu cơ nhưng lại phải hạn chế mất nước. [1]

CAM, viết tắt của Crassulacean Acid Metabolism, tách hai việc theo thời gian. Ban ngày, khí khổng đóng để giảm thoát hơi nước. Ban đêm, không khí mát hơn, giúp nước bay hơi chậm hơn, khí khổng mở để carbon dioxide đi vào. Cây liên kết carbon dioxide với các chất chuyển hóa và lưu trữ phần carbon đó dưới dạng axit malic, rồi sử dụng vào ban ngày. [1]

Vì sao chiếc lá của Humboldt không tạo bọt?

Những bọt khí quan sát được trong thí nghiệm với lá thường gợi đến oxy, một sản phẩm của quang hợp. Tuy nhiên, ở cây dùng CAM, lịch trình trao đổi khí khiến biểu hiện ấy không diễn ra theo cách dễ đoán. Carbon dioxide được tiếp nhận chủ yếu vào ban đêm, còn ban ngày cây khai thác lượng carbon đã lưu trữ thay vì mở khí khổng để nhận thêm khí từ bên ngoài. [1]

Điều này không có nghĩa cây ngừng quang hợp khi có ánh sáng. Ánh sáng vẫn cung cấp năng lượng cho các phản ứng tạo đường; điểm khác nằm ở thời điểm carbon dioxide đi vào và được chuẩn bị cho các phản ứng đó. Quan sát của Humboldt vì thế trở nên dễ hiểu hơn: một dấu hiệu bên ngoài có thể khác thường chỉ vì các công đoạn bên trong chiếc lá được sắp xếp theo lịch khác. [1]

Ba loài Clusia cho thấy CAM không chỉ có một kiểu

Các nhà nghiên cứu so sánh ba loài thuộc chi Clusia: Clusia rosea, Clusia minor và Clusia major. Chi này đặc biệt đáng chú ý vì có những loài cây được biết đến là sử dụng CAM, đồng thời thể hiện một dải chiến lược quang hợp rộng, từ kiểu C3 thông thường đến CAM rất mạnh. [1]

Clusia rosea sử dụng CAM mạnh và tích trữ đáng kể carbon dioxide dưới dạng axit malic trong đêm. Clusia minor chủ yếu bật cơ chế này khi gặp điều kiện căng thẳng, chẳng hạn thiếu nước. Clusia major kết hợp C3 với CAM, tạo thành một chiến lược lai. Các khác biệt ấy xuất hiện đồng thời trong hoạt động sinh lý, hoạt động gene và sản phẩm chuyển hóa của cây. [1]

Có thể hình dung ba loài này như ba cách điều chỉnh cùng một bộ công cụ: một loài dùng thường xuyên, một loài chỉ dùng khi hoàn cảnh xấu đi, còn một loài phối hợp hai chế độ. Đây là ví dụ cho thấy thích nghi tiến hóa không nhất thiết tạo ra một đáp án duy nhất cho cùng một vấn đề. [1]

Bộ gene đã thay đổi cơ chế ấy ra sao?

Phân tích bộ gene cho thấy cả ba loài Clusia đều là những loài đa bội cổ, nghĩa là bộ gene của chúng từng được nhân lên. Sau đó, qua hàng triệu năm, các bản sao gene không giữ nguyên trạng: một số bị mất, một số bị vô hiệu hóa, còn một số nhận chức năng mới. Quá trình thu gọn và sắp xếp lại này được gọi là lưỡng bội hóa. [1]

Những gene liên quan đến việc lưu trữ carbon dioxide ban đêm chịu ảnh hưởng đáng kể trong quá trình tái tổ chức đó. Vì vậy, CAM ở các loài Clusia không được giải thích như kết quả của một lần thay đổi đơn lẻ. Các vòng nhân đôi và chỉnh sửa bộ gene kéo dài có thể đã tạo ra nhiều cách điều khiển khác nhau đối với cùng một chiến lược tiết kiệm nước. [1]

Điểm quan trọng là nhân đôi gene không đơn giản đồng nghĩa với việc cây có thêm nhiều bản sao giống hệt nhau. Theo thời gian, các bản sao có thể bị loại bỏ hoặc phân hóa. Chính sự thay đổi lâu dài ấy giúp giải thích vì sao những loài họ hàng gần vẫn có lịch trình quang hợp và mức độ phụ thuộc vào CAM khác nhau. [1]

Từ cây rừng đến cây trồng chịu hạn

CAM được quan tâm vì các cây sử dụng cơ chế này cần ít nước hơn những cây chỉ dựa vào kiểu quang hợp thông thường. Thông tin về bộ gene và các con đường chuyển hóa của Clusia có thể giúp nhà nghiên cứu nhận diện những thành phần liên quan đến việc cố định carbon dioxide hiệu quả và sử dụng nước tiết kiệm. [1]

Tuy nhiên, từ việc hiểu cơ chế ở cây nhiệt đới đến việc tạo ra một giống cây trồng chịu hạn là một chặng đường dài. Cây trồng còn phải duy trì năng suất, thích nghi với môi trường và phối hợp nhiều quá trình sinh học khác. Vì thế, giá trị trước mắt của nghiên cứu nằm ở việc mở rộng bản đồ gene và chuyển hóa có thể tham khảo, chứ chưa phải một công thức sẵn sàng cho đồng ruộng. [1]

Một lịch quang hợp khác thường

Câu chuyện bắt đầu từ một chiếc lá dường như không làm điều cần làm dưới ánh sáng, nhưng lời giải không phải là sự vắng mặt của quang hợp. Đó là sự phân ca giữa đêm và ngày: đêm nhận carbon dioxide, ngày dùng carbon đã tích trữ, còn khí khổng được giữ kín trong lúc nước dễ thất thoát nhất. [1]

Ba loài Clusia cho thấy tiến hóa có thể nhiều lần tái sắp xếp một bộ gene cổ để tạo ra những mức độ thích nghi khác nhau. Nhìn một chiếc lá theo cách ấy, ta không chỉ thấy một bề mặt màu xanh mà còn thấy một hệ thống điều phối thời gian, trong đó việc sống sót qua hạn hán phụ thuộc vào lúc cây mở cửa và lúc cây giữ cửa đóng. [1]