Làm ngập các gian bào bằng muối khiến cho lá bị rũ xuống tạm thời (1 " 2). Sau khi thải hết muối trong không bào (3), lá trở lại vị trí ban đầu (1). Việc sử dụng muối làm giảm nồng độ ion canxi trong tế bào chất và proton trong lá, nhưng lại tăng ion canxi trong rễ. Ảnh: Kai Konrad/Uni Würzburg. 

Lá cây có thể đối phó với nồng độ muối cao một cách hiệu quả hơn so với rễ. Cơ chế cơ bản có thể giúp phát triển các loại cây trồng chịu mặn tốt hơn. 

Khi thiếu nước, nhiệt độ cao hoặc tưới tiêu thâm canh, làm hàm lượng muối (thông thường là muối natri clorua) trong đất tăng lên. Hầu hết các loại cây trồng đều nhạy cảm với muối. Chúng sẽ phản ứng với độ mặn ngày càng tăng trong đất bằng cách giảm đáng kể sự sinh trưởng và điều này dẫn đến giảm năng suất. 

Sau khi được rễ hấp thụ từ đất và theo dòng nước đến chồi và lá, muối có thể gây độc đối với quá trình trao đổi chất của cây. Các nhà nghiên cứu thực vật từ Đại học Julius-Maximilians-University (JMU) Würzburg ở Bavaria - Đức, đã chỉ ra cách thực vật có thể thoát khỏi tình thế nguy cơ này trong bài báo mới nhất của họ trên tạp chí New Phytologist. 

Giáo sư sinh lý học Rainer Hedrich và nhóm của ông đã phát triển một phương pháp có thể được sử dụng để ghi lại cách thực vật giải độc muối trong lá một cách dễ dàng và nhanh chóng. 

Chuyển động của lá như một chỉ báo của quá trình vận chuyển muối 

Để điều tra cơ chế khử độc muối trong lá, tiến sỹ Dorothea Graus người đứng đầu nghiên cứu, cùng giáo sư Irene Marten và tiến sỹ Kai Konrad đã sử dụng cây thuốc lá làm cây mô hình. Các khoảng gian bào của lá cây thuốc lá có thể được nạp đầy dễ dàng và nhanh chóng bằng các dung dịch thử nghiệm thông qua một ống tiêm. 

Để ghi lại quá trình đối phó với căng thẳng do muối gây ra, cây thuốc lá được ngâm với dung dịch muối 30% và các phản ứng được ghi lại bằng máy quay video. Sự căng thẳng do muối này gây ra sự giảm áp suất trong các tế bào lá, điều này trở nên đáng chú ý khi lá dần dần rủ xuống. 

Rainer Hedrich nói: “Lá bị rủ xuống nhanh chóng và chúng tôi đã lường trước về điều này. Nhưng một điều đáng kinh ngạc là những chiếc lá này đã hoàn toàn hồi phục trở lại vị trí ban đầu của nó chỉ trong 30 đến 40 phút sau thoát khỏi tình trạng bị ngập trong nước muối. Liều lượng muối được tiêm vẫn còn trong lá - nhưng không ở trong khoảng gian bào. Thay vào đó, nó được hấp thụ vào dịch bào”. 

Do đó, muối làm giảm áp suất trong lá, xâm nhập vào tế bào và sau đó được chuyển vào ngăn tế bào lớn nhất, không bào. Qua bước này, nước ban đầu bị mất qua quá trình thẩm thấu sẽ vào lại tế bào, do đó áp suất tế bào lại tăng lên và lá căng ra. 

Làm thế nào để muối đi vào tế bào và làm thế nào nó kết thúc trong không bào? 

Kai Konrad và Irene Marten giải thích rằng: “Các ion natri xâm nhập vào tế bào qua các kênh ion và được điều khiển bởi điện thế âm của màng tế bào. Các ion clorua được hấp thụ bởi các đồng vận chuyển clorua-proton, được cung cấp năng lượng bởi động lực proton”. 

Do sự hấp thu muối natri clorua vào huyết tương tế bào, điện thế màng tạm thời giảm xuống trong khi nồng độ proton ròng giảm. Những tín hiệu này, cùng với cảm biến ion natri, bắt đầu vận chuyển muối từ tế bào chất vào không bào. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự vận chuyển diễn ra ở màng không bào, đồng thời nó quyết định mạnh mẽ những gì xảy ra trong tế bào chất và ở màng tế bào. 

Kai Konrad cho biết thêm: "Sử dụng phương pháp phát hiện nồng độ proton dựa trên huỳnh quang, chúng tôi có thể chỉ ra rằng sự hấp thụ các ion natri vào không bào đi kèm với sự thay đổi nồng độ proton trong tế bào và không bào. Đây là một dấu hiệu cho thấy sự tham gia của chất vận chuyển NHX1 khu trú trong màng không bào, màng này trao đổi ion natri lấy proton từ không bào trong quá trình căng thẳng với muối”. Kai Konrad giải thích thêm: “Chúng tôi có thể chứng minh giả định này với các loài thực vật có không bào thể hiện hoạt động của chất phản proton ion natri NHX1 tăng lên”. 

Ngoại lệ mang tính đột phá đối với thuyết Canxi về khả năng chịu mặn 

Ở rễ, sự gia tăng các ion canxi trong tế bào chất sẽ kích hoạt lực đẩy ion natri từ chối các muối xâm nhập vào đất. Cơ chế bảo vệ muối này, còn được gọi là con đường SOS, cũng hoạt động trong rễ cây thuốc lá. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu Würzburg đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng lá cây có thể giải độc lượng muối được sử dụng mà không có bất kỳ tín hiệu canxi nào. 

Điều này có nghĩa là quan niệm SOS dựa trên các ion canxi không còn hợp lý đối với việc quản lý các phản ứng với muối trong lá.

Kai Konrad giải thích: “Rễ của hầu hết các loại cây đã bị ảnh hưởng khi chúng phải đối mặt với một phần tư liều lượng muối mà chúng tôi đã áp dụng trên lá thuốc lá. Vì vậy, lá dường như có khả năng quản lý sự căng thẳng do mặn tốt hơn và do đó khả năng chịu mặn tốt hơn so với rễ. Tuy nhiên, trong trường hợp đất bị nhiễm mặn dai dẳng, chất chứa muối trong không bào của cây trồng cạn kiệt và sau đó cũng đưa khả năng chịu mặn của lá đến giới hạn của nó”. 

Hiểu rõ hơn các cơ chế độc tính của muối trong lá có thể giúp phát triển các chiến lược mới để tạo ra cây trồng chịu mặn. Để đạt được mục tiêu này, nhóm nghiên cứu Würzburg nhằm mục đích sử dụng các protein vận chuyển ion được điều khiển bằng ánh sáng, được gọi là công cụ di truyền quang, để thay đổi cụ thể tỷ lệ ion của natri, clorua, proton và canxi trong tế bào và do đó giải mã thêm các cơ chế vận chuyển muối và các con đường tín hiệu liên quan.

Theo Phys.org