Ảnh minh họa: Unspash

Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại Đại học Tsukuba (Nhật Bản) thực hiện cho thấy, thực vật có thể tích lũy và "ghi nhớ" lịch sử nhiệt độ kéo dài từ vài ngày đến nhiều tháng. Cơ chế này giúp chúng nhận biết chính xác sự chuyển mùa để kích hoạt quá trình ra hoa đúng thời điểm, tránh bị "đánh lừa" bởi những đợt thời tiết thất thường.

Thời tiết theo mùa hiếm khi diễn biến ổn định tuyệt đối. Một đợt nắng ấm bất ngờ hoàn toàn có thể xuất hiện giữa mùa đông lạnh giá, hoặc một đợt không khí lạnh có thể tràn về ngay khi mùa xuân vừa bắt đầu.

Nếu chỉ phản ứng với nhiệt độ của riêng ngày hôm qua hay hôm nay, cây trồng rất dễ ra hoa nhầm thời điểm, làm gián đoạn nghiêm trọng chu kỳ sinh trưởng. Do đó, chúng cần một phương thức theo dõi xu hướng thời tiết tổng thể trong thời gian dài.

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học PLOS One, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc phân tích hai loài cây lâu năm thuộc họ Cải là loài Eutrema japonicum và Arabidopsis halleri.

Nhóm đã phát hiện ra ba gen cốt lõi tham gia vào quá trình "ghi nhớ" này gồm VIN3, FLC và FT. Mỗi gen đảm nhận việc theo dõi một khoảng thời gian nhiệt độ khác nhau:

Gen VIN3 hoạt động như một cảm biến tức thời, ghi nhớ mức nhiệt của khoảng 4 đến 6 ngày trước đó. Sự thay đổi của VIN3 giúp cây nhận biết sự biến động nhiệt ngắn hạn.

Gen FLC đóng vai trò như “phanh hãm” giúp làm chậm quá trình ra hoa, phụ thuộc vào lịch sử nhiệt độ trong vài tuần đến vài tháng. Mức hoạt động của FLC có thể biến đổi mạnh mẽ hơn 1.000 lần trong một năm.

Gen FT là tín hiệu chính thúc đẩy sự ra hoa, có khả năng tích lũy dữ liệu nhiệt độ kéo dài tới 150 ngày.

Sự phối hợp giữa các gen này đã giúp thực vật phân biệt rõ ràng cùng một mức nhiệt độ nhưng ở hai thời điểm khác nhau trong năm. Ví dụ, khi đưa cây vào môi trường 4 độ C hoặc 23 độ C, những cây vừa trải qua mùa đông sẽ có phản ứng sinh học hoàn toàn khác so với những cây đang ở mùa xuân, dù hoạt động gen ban đầu của chúng tương đương nhau. Trải nghiệm thời tiết trước đó chính là yếu tố quyết định cách cây trồng phản ứng với nhiệt độ hiện tại.

Đáng chú ý, "bộ nhớ" của thực vật cũng thay đổi tính linh hoạt theo từng mùa. Vào mùa thu và mùa đông, gen FLC duy trì khoảng thời gian ghi nhớ nhiệt độ dài hơn đáng kể so với mùa xuân, giúp cây tích lũy đủ tín hiệu rét kéo dài của mùa đông. Khi sang xuân, bộ nhớ của gen FLC thu hẹp lại nhằm giúp cây nhạy bén hơn với sự ấm lên của thời tiết.

Khi kiểm chứng bằng mô hình máy tính, dữ liệu nhiệt độ trong quá khứ có thể dự đoán chính xác sự biến đổi gen và thời điểm ra hoa của cây trồng từ năm này sang năm khác với độ tương quan cao.

Khi các nhà nghiên cứu chuyển cây Eutrema japonicum đến vùng đất mới có nhiệt độ trung bình cao hơn khoảng 4 độ, nhịp điệu biến đổi của bộ ba gen VIN3, FLC và FT bị xáo trộn. Hệ quả là 70% số cây đợt đầu ra hoa muộn hoặc không thể ra hoa, và toàn bộ số cây đợt sau hoàn toàn mất khả năng trổ bông.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu khiến thời tiết ngày càng trở nên cực đoan và bất thường, việc thấu hiểu cơ chế "ghi nhớ" nhiệt độ của thực vật mang ý nghĩa vô cùng quan trọng.

Phát hiện này không chỉ giúp các nhà khoa học đánh giá chính xác hơn tác động của tình trạng ấm lên toàn cầu đối với hệ thực vật, mà còn mở ra hướng đi mới trong việc dự báo và bảo vệ năng suất cây trồng trước sự thay đổi của các mùa.