Nghiên cứu mới của các nhà khoa học về cuộc sống của UCLA có thể dẫn đến dự đoán loài thực vật nào sẽ thoát khỏi sự tuyệt chủng do biến đổi khí hậu.
Hạn hán đang trở nên tồi tệ trên khắp thế giới, đặt ra thách thức lớn đối với thực vật trong tất cả các hệ sinh thái, Lawren Sack, giáo sư sinh thái học và sinh học tiến hóa của UCLA và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. Các nhà khoa học đã tranh luận trong hơn một thế kỷ làm thế nào để dự đoán loài nào dễ bị tổn thương nhất.
Cây bị héo lá trong một khu rừng Hawaii trong đợt hạn hán khắc nghiệt 2010-11, đó là điều tồi tệ nhất trong ít nhất 11 năm và được liên bang chỉ định là một thảm họa tự nhiên. Cây là một alahee (Psydraxodorata). Tín dụng hình ảnh: Faith Inman-Narahari
Sack và hai thành viên trong phòng thí nghiệm của ông đã thực hiện một khám phá cơ bản giải quyết cuộc tranh luận này và cho phép dự đoán các loài thực vật và kiểu thảm thực vật đa dạng trên toàn thế giới sẽ chịu được hạn hán như thế nào, điều này rất quan trọng đối với các mối đe dọa do biến đổi khí hậu, ông nói.
Nghiên cứu hiện đang có sẵn trong ấn bản trực tuyến của Ecology Letters, một tạp chí sinh thái có uy tín, và sẽ được xuất bản trong phiên bản sắp tới.
Tại sao một bông hoa hướng dương héo và tàn lụi nhanh chóng khi đất khô, trong khi cây bụi chaparral bản địa của California tồn tại mùa khô dài với lá thường xanh của chúng? Vì có nhiều cơ chế liên quan đến việc xác định khả năng chịu hạn của cây trồng, đã có những cuộc tranh luận mạnh mẽ giữa các nhà khoa học thực vật về đặc điểm nào là quan trọng nhất. Nhóm UCLA, được tài trợ bởi Quỹ khoa học quốc gia, đã tập trung vào một đặc điểm gọi là điểm mất turgor, mà trước đây chưa từng được chứng minh để dự đoán khả năng chịu hạn giữa các loài thực vật và hệ sinh thái.
Một sự khác biệt cơ bản giữa thực vật và động vật là tế bào thực vật được bao bọc bởi thành tế bào trong khi tế bào động vật thì không. Để giữ cho các tế bào của chúng hoạt động, các nhà máy phụ thuộc vào áp lực turgor áp lực - áp suất được tạo ra trong các tế bào bởi nước mặn bên trong đẩy vào và giữ các thành tế bào. Khi lá mở lỗ chân lông, hoặc khí khổng, để thu khí carbon dioxide để quang hợp, chúng sẽ mất một lượng nước đáng kể để bay hơi. Điều này làm mất nước các tế bào, gây ra mất áp lực.
Trong thời gian hạn hán, nước di động trở nên khó thay thế. Điểm mất turgor đạt được khi các tế bào lá đạt đến điểm mà tại đó các bức tường của chúng trở nên nhợt nhạt; Sack cho biết, sự mất độ tế bào này làm cho chiếc lá trở nên khập khiễng và héo, và cây không thể phát triển, Sack nói.
Cây héo lá trong rừng Hawaii trong đợt hạn hán khắc nghiệt 2010-11, đây là điều tồi tệ nhất trong ít nhất 11 năm và được liên bang chỉ định là một thảm họa tự nhiên. Cây này là một cây đàn hương (Santalum paniculatum). Tín dụng hình ảnh: Faith Inman-Narahari
Đất khô có thể làm cho một tế bào thực vật rơi vào điểm mất turgor, và nhà máy sẽ phải đối mặt với sự lựa chọn đóng cửa khí khổng và có nguy cơ chết đói hoặc quang hợp với lá héo và có nguy cơ làm hỏng thành tế bào và protein chuyển hóa của nó, ông Sack nói. Để có thể chịu hạn tốt hơn, cây cần thay đổi điểm mất turgor để các tế bào của nó có thể giữ được turgor của chúng ngay cả khi đất khô.
Các nhà sinh học đã chỉ ra rằng trong các hệ sinh thái và trên toàn thế giới, những cây có khả năng chịu hạn hán cao hơn có điểm mất turgor thấp hơn; họ có thể duy trì turgor của họ mặc dù đất khô hơn.
Nhóm nghiên cứu cũng giải quyết các tranh cãi kéo dài hàng thập kỷ, lật ngược các giả định đã tồn tại từ lâu của nhiều nhà khoa học về các đặc điểm xác định điểm mất turgor và khả năng chịu hạn. Hai đặc điểm liên quan đến tế bào thực vật đã được cho là ảnh hưởng đến điểm mất turgor của cây và cải thiện khả năng chịu hạn: Cây có thể làm cho thành tế bào của chúng cứng hơn hoặc chúng có thể làm cho tế bào của chúng mặn hơn bằng cách nạp chúng vào các chất hòa tan. Nhiều nhà khoa học nổi tiếng đã nghiêng về lời giải thích trên tường tế bào cứng cứng vì các nhà máy ở vùng khô trên toàn cầu có xu hướng có những chiếc lá nhỏ và cứng. Các thành tế bào cứng có thể cho phép chiếc lá tránh bị héo và giữ nước trong thời gian khô, các nhà khoa học lý giải. Người ta đã biết rất ít về độ mặn của tế bào đối với thực vật trên khắp thế giới.
Nhóm UCLA hiện đã chứng minh một cách thuyết phục rằng chính độ mặn của nhựa tế bào giải thích khả năng chịu hạn giữa các loài. Cách tiếp cận đầu tiên của họ là toán học; nhóm nghiên cứu đã xem xét lại các phương trình cơ bản chi phối hành vi héo rũ và giải quyết chúng lần đầu tiên. Giải pháp toán học của họ chỉ ra tầm quan trọng của nhựa tế bào muối. Nhựa tế bào Saltier trong mỗi tế bào thực vật cho phép cây duy trì áp suất turgor trong thời gian khô và tiếp tục quang hợp và phát triển khi hạn hán xảy ra. Phương trình cho thấy các thành tế bào dày không góp phần trực tiếp vào việc ngăn ngừa héo, mặc dù chúng mang lại lợi ích gián tiếp có thể quan trọng trong một số trường hợp - bảo vệ khỏi sự co rút tế bào quá mức và khỏi bị hư hại do các yếu tố hoặc côn trùng và động vật có vú.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thu thập lần đầu tiên dữ liệu tính trạng chịu hạn cho các loài trên toàn thế giới, xác nhận kết quả của chúng. Trên khắp các loài trong khu vực địa lý và trên toàn cầu, khả năng chịu hạn có tương quan với độ mặn của nhựa tế bào và không phải với độ cứng của thành tế bào. Trên thực tế, các loài có thành tế bào cứng được tìm thấy không chỉ trong các khu vực khô cằn mà cả trong các hệ thống ẩm ướt như rừng mưa nhiệt đới, bởi vì ở đây cũng vậy, sự tiến hóa ủng hộ những chiếc lá sống lâu được bảo vệ khỏi thiệt hại.
Việc xác định độ mặn của tế bào khi là động lực chính của khả năng chịu hạn đã xóa tan những tranh cãi lớn, và nó mở ra cách dự đoán loài nào có thể thoát khỏi sự tuyệt chủng từ biến đổi khí hậu, Sack nói.
Đồng tác giả nghiên cứu Christine Scoffoni, một sinh viên tiến sĩ của UCLA thuộc khoa sinh thái học và sinh học tiến hóa cho biết, muối này tập trung trong các tế bào.
Vai trò của thành tế bào cứng là khó nắm bắt hơn.
Tác giả chính Megan Bartlett, một sinh viên tốt nghiệp UCLA cho biết, chúng tôi rất ngạc nhiên khi thấy rằng có một thành tế bào cứng hơn thực sự làm giảm khả năng chịu hạn một chút - trái với trí tuệ nhận được - nhưng nhiều cây chịu hạn với nhiều muối cũng có thành tế bào cứng. sinh viên khoa sinh thái và sinh học tiến hóa.
Các nhà nghiên cứu cho biết mâu thuẫn dường như này được giải thích bởi nhu cầu thứ cấp của các cây chịu hạn để bảo vệ các tế bào mất nước của chúng khỏi bị co lại khi chúng mất áp lực turgor, các nhà nghiên cứu cho biết.
Trong khi một bức tường cứng không giữ được bộ lọc tế bào, nó ngăn không cho các tế bào co lại khi bộ lọc giảm và giữ trong nước để các tế bào vẫn lớn và ngậm nước, ngay cả tại điểm mất của bộ lọc, ông Bart Bartlett giải thích. Vì vậy, sự kết hợp lý tưởng cho một nhà máy là có nồng độ chất tan cao để giữ áp suất turgor và thành tế bào cứng để ngăn nó mất quá nhiều nước và co lại khi áp suất nước lá giảm. Nhưng ngay cả những cây nhạy cảm với hạn hán thường có thành tế bào dày vì lá cứng cũng bảo vệ tốt chống lại động vật ăn cỏ và hao mòn hàng ngày.
Mặc dù nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng điểm mất turgor và nhựa tế bào mặn có sức mạnh đặc biệt để dự đoán khả năng chịu hạn của cây, một số loài thực vật sa mạc nổi tiếng và đa dạng nhất - bao gồm xương rồng, yuccas và agaves - thể hiện thiết kế ngược lại, với nhiều bức tường linh hoạt các tế bào giữ nhựa pha loãng và sẽ mất đi sự nhanh chóng, Sack nói.
Những con mọng nước này thực sự khủng khiếp trong việc chịu hạn hán và thay vào đó chúng tránh được nó, ông nói. Vì phần lớn mô của chúng là các tế bào lưu trữ nước, chúng có thể mở khí khổng tối thiểu vào ban ngày hoặc ban đêm và tồn tại với nước được lưu trữ cho đến khi trời mưa. Thành tế bào linh hoạt giúp chúng giải phóng nước cho phần còn lại của cây.
Nghiên cứu mới này cho thấy độ mặn của các tế bào trong lá cây có thể giải thích nơi thực vật sống và các loại thực vật thống trị hệ sinh thái trên khắp thế giới. Nhóm nghiên cứu đang làm việc với các cộng tác viên tại Vườn thực vật nhiệt đới Xishuangbanna ở Vân Nam, Trung Quốc, để phát triển một phương pháp mới để đo nhanh điểm mất turgor trên một số lượng lớn các loài và đưa ra đánh giá quan trọng về khả năng chịu hạn cho hàng ngàn loài. thời gian.
Tiết Chúng tôi rất vui mừng khi có một chỉ số hạn hán mạnh mẽ đến mức chúng ta có thể đo lường dễ dàng, theo ông Bart Bartlett. Chúng ta có thể áp dụng điều này trên toàn bộ hệ sinh thái hoặc các họ thực vật để xem thực vật thích nghi với môi trường của chúng như thế nào và để phát triển các chiến lược tốt hơn để bảo tồn chúng trước sự thay đổi của khí hậu.
UCLA là trường đại học lớn nhất California California, với tuyển sinh gần 38.000 sinh viên đại học và sau đại học. Trường Đại học Văn học và Khoa học UCLA và trường đại học chuyên nghiệp 11 trường có các giảng viên nổi tiếng và cung cấp các chương trình và chuyên ngành 337. UCLA là một nhà lãnh đạo quốc gia và quốc tế về bề rộng và chất lượng của các chương trình học tập, nghiên cứu, chăm sóc sức khỏe, văn hóa, giáo dục thường xuyên và thể thao. Sáu cựu sinh viên và năm giảng viên đã được trao giải thưởng Nobel.
Bởi Stuart Wolpert