Giữa vùng Thung lũng Chết khô cằn của bang California (Mỹ), nơi tưởng chừng không sự sống nào có thể tồn tại dưới nền nhiệt mùa hè thường vượt quá 49°C, thì có một loài cây không chỉ đang kiên cường sống sót mà thậm chí còn phát triển mạnh mẽ.

Loài thực vật bản địa này, tên gọi Tidestromia oblongifolia, đang giúp các nhà khoa học thuộc Đại học Bang Michigan (MSU) hé mở bí mật về cách sự sống thích nghi và phát triển trong những điều kiện môi trường khắc nghiệt. Đây có thể là “bản hướng dẫn từ tự nhiên” giúp phát triển những giống cây trồng có khả năng chịu nhiệt tốt hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

Trong nghiên cứu đăng trên tạp chí khoa học Current Biology, giáo sư Seung Yon “Sue” Rhee và chuyên gia nghiên cứu Karine Prado cho biết T. oblongifolia thực sự có thể phát triển nhanh hơn khi nhiệt độ tăng cao bằng cách tinh chỉnh hệ thống quang hợp để chống lại những tác động có hại từ nhiệt độ.

Theo chia sẻ của bà Prado, dự án bắt đầu từ một câu hỏi tưởng chừng đơn giản: “Làm thế nào mà cây này vẫn xanh tốt giữa cái nóng bỏng rát khiến hầu hết loài khác khô héo chỉ sau vài giờ?”

Bà cho biết: “Khi chúng tôi mang hạt giống về phòng thí nghiệm, việc khiến chúng nảy mầm rất khó khăn. Nhưng khi mô phỏng được điều kiện khô nóng đặc trưng của Thung lũng Chết, chúng đã phát triển với tốc độ đáng kinh ngạc”.

Trong các buồng tăng trưởng được thiết kế riêng để tái tạo ánh sáng gay gắt và biên độ nhiệt ngày – đêm lớn của sa mạc, T. oblongifolia đã tăng gấp ba lần sinh khối chỉ trong 10 ngày. Trong khi đó, những loài cây vốn nổi tiếng chịu nóng tốt khác lại ngừng phát triển hoàn toàn.

Sau 2 ngày tồn tại trong điều kiện nhiệt độ cực cao, T. oblongifolia mở rộng “vùng thoải mái quang hợp” của mình, tiếp tục tạo năng lượng hiệu quả. Chỉ trong vòng hai tuần, nhiệt độ quang hợp tối ưu của cây đạt tới 45°C, cao hơn bất kỳ loài cây trồng chủ lực nào từng được ghi nhận.

“Đây là loài thực vật chịu nhiệt tốt nhất mà chúng tôi từng biết. Hiểu được cơ chế thích nghi của nó có thể giúp chúng ta phát triển các chiến lược mới nhằm giúp cây trồng tồn tại trên một hành tinh đang nóng lên”, giáo sư Rhee nhận định.

Giải mã cơ chế sinh tồn độc đáo

Bằng việc kết hợp các thí nghiệm sinh lý, kỹ thuật hình ảnh sống và phân tích bộ gen, nhóm nghiên cứu phát hiện T. oblongifolia phối hợp nhiều cơ chế phức tạp để sống sót.

Khi nhiệt độ đạt mức cực đoan, “nhà máy năng lượng” của tế bào hay còn gọi là các ty thể di chuyển gần hơn đến lục lạp, nơi diễn ra quá trình quang hợp. Đồng thời, lục lạp thay đổi thành dạng “chiếc cốc” đặc biệt chưa từng thấy ở loài thực vật bậc cao. Sự thích nghi này giúp cây hấp thụ và tái sử dụng carbon dioxide hiệu quả hơn, duy trì quá trình sản xuất năng lượng ngay cả trong điều kiện căng thẳng nhiệt.

Trong vòng 24 giờ, hàng nghìn gen trong loài cây này điều chỉnh hoạt động để bảo vệ protein, màng tế bào và hệ thống quang hợp khỏi sự tổn thương. Đặc biệt, cây tăng sản xuất enzyme Rubisco activase, giúp duy trì hoạt động quang hợp ổn định dù ở nhiệt độ cao.

Với dự báo nhiệt độ toàn cầu có thể tăng thêm 5°C vào cuối thế kỷ này có nguy cơ khiến năng suất của các cây trồng chủ lực như lúa mì, ngô và đậu nành sụt giảm nghiêm trọng. Đây sẽ trở thành thách thức lớn trong việc bảo đảm an ninh lương thực khi dân số toàn cầu gia tăng.

“T. oblongifolia cho thấy thực vật có khả năng thích nghi đáng kinh ngạc với cái nóng cực đoan. Nếu chúng ta hiểu và sao chép được cơ chế này, đó có thể là bước đột phá để biến đổi nền nông nghiệp trong một thế giới nóng hơn”, giáo sư Rhee nhấn mạnh.

Bà Sue Rhee, Giám đốc Viện Khả năng phục hồi của thực vật thuộc MSU, là một trong những nhà nghiên cứu của Khoa Khoa học Tự nhiên đang nỗ lực để giúp thực vật có khả năng chống chịu khí hậu tốt hơn.

Trong nhiều thập kỷ, ngành sinh học thực vật tập trung vào những loài dễ trồng và phổ biến như lúa hoặc ngô. Tuy nhiên, bà Rhee cho rằng đã đến lúc khoa học cần mở rộng tầm nhìn sang những loài đã tiến hóa để sống sót ở môi trường khắc nghiệt nhất thế giới.

Bà chia sẻ: “Thực vật sa mạc đã trải qua hàng triệu năm để thích nghi với điều mà giờ đây chúng ta mới phải đối mặt. Với các công cụ hiện đại như giải mã bộ gen, hình ảnh sống độ phân giải cao và sinh học hệ thống, chúng ta có thể học được rất nhiều từ chúng, miễn là có đủ sự đầu tư và hỗ trợ để tiếp tục nghiên cứu”.

Hiện nhóm của Rhee đang nghiên cứu sâu hơn về gen và cấu trúc tế bào giúp T. oblongifolia có sức chịu đựng phi thường, nhằm tìm cách ứng dụng các đặc tính này cho cây lương thực.

“Nghiên cứu này không chỉ cho thấy cách thức một loài cây sa mạc vượt qua cái nóng. Nó còn mở ra bản đồ chỉ đường cho cách mọi loài thực vật có thể thích nghi và tồn tại trong một khí hậu đang thay đổi”, chuyên gia Prado cho biết.