Các nhà khoa học quan sát thành công cách thực vật "uống nước"

Bằng cách áp dụng một kỹ thuật hình ảnh đặc biệt, nhà vật lý Flavius Pascut của Đại học Nottingham (Anh quốc) và nhóm nghiên cứu của mình đã có thể quan sát các bộ phận bên trong của thực vật khi chúng hút nước theo thời gian thực.

"Chúng tôi đã phát triển một phương pháp cho phép theo dõi quá trình đó ở cấp độ các tế bào đơn lẻ. Chúng ta không chỉ nhìn thấy nước đi lên bên trong rễ mà còn có thể biết được vị trí và cách thức nó di chuyển xung quanh", nhà điện sinh lý học Kevin Webb của Đại học Nottingham cho biết.

Nước không chỉ là yếu tố cần thiết cho cây trồng mà còn đóng vai trò như một phương tiện vận chuyển các chất dinh dưỡng, khoáng chất và các phân tử sinh học quan trọng khác trong các cấu trúc sống.

Việc thực vật có thể di chuyển chất lỏng quý giá xung quanh một cách hiệu quả như thế nào có thể ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt của chúng.

Webb giải thích: "Để quan sát sự hút nước của thực vật sống mà không làm hỏng chúng, chúng tôi đã áp dụng kỹ thuật kính hiển vi quang học, nhạy cảm dựa trên tia laser để quan sát chuyển động của nước bên trong rễ sống, điều chưa từng được thực hiện trước đây".

Bằng cách phát hiện cách các photon ánh sáng tán xạ từ một nguồn laser hẹp, kính hiển vi Raman cung cấp hình ảnh thời gian thực ở cấp độ phân tử trong điều kiện tự nhiên.

Kỹ thuật này nhạy đến mức nó có thể phát hiện khối lượng và định hướng của các liên kết phân tử. Như vậy tức là nó có thể tạo ra sự tương phản bằng cách sử dụng các phân tử nổi bật với môi trường xung quanh, trong trường hợp này là deuterium oxide, được gọi là nước nặng, thay cho nước bình thường.

Deuterium là một đồng vị của hydro có một neutron cũng như một proton đơn lẻ của hydro thông thường, tăng gấp đôi khối lượng của nó.

Mặc dù nước nặng có các đặc tính hơi khác một chút, nhưng nó tương tự như nước bình thường để không thay đổi mọi thứ về mặt sinh lý với một lượng nhỏ.

Quá trình quét đã phát hiện một mạch nước nặng trong vòng 80 giây sau khi để lộ rễ của loại cây được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất của các nhà nghiên cứu là cải xoong (Arabidopsis thaliana). Pascut và nhóm nghiên cứu đã xen kẽ giữa việc cho cây tiếp xúc với nước thường và nước nặng để xem cách nước di chuyển qua các mô của cây.

Kỳ lạ ở chỗ, các nhà nghiên cứu chỉ phát hiện ra phần nước bị hút ở phần bên trong của rễ, nơi xylem vận chuyển nước của các mô rễ xảy ra, cho thấy sự hấp thụ nước ban đầu này không được chia sẻ cho các mô xung quanh trên đường đi lên từ rễ đến phần còn lại.

Các nhà nghiên cứu cho rằng điều này có nghĩa là có "hai thế giới nước" bên trong thực vật và hệ thống khuếch tán nước thứ hai phân phối nước đến các mô bên ngoài này.

Có thể quan sát quá trình này sẽ giúp chúng ta hiểu nó và lập kế hoạch cây trồng tốt hơn cho tương lai đầy biến động mà chúng ta đang đối mặt.

"Mục tiêu là tăng năng suất lương thực toàn cầu bằng cách hiểu và sử dụng các giống cây trồng có cơ hội sống sót tốt nhất, có thể đạt năng suất cao nhất trong bất kỳ môi trường nào, bất kể khô hay ẩm ướt", Webb cho biết.

Pascut và nhóm nghiên cứu hiện đang phát triển một phiên bản di động của công nghệ hình ảnh để cho phép các nghiên cứu thực địa dễ tiếp cận hơn và họ cũng tin rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng trong các thiết bị theo dõi chăm sóc sức khỏe, mặc dù tế bào của chúng ta nhỏ hơn nhiều so với thực vật.

Tuy nhiên, hiện tại điều này hứa hẹn sẽ giúp chúng ta giải quyết những câu hỏi quan trọng, như làm thế nào để thực vật "cảm nhận" được nguồn nước sẵn có. Các câu trả lời cho câu hỏi này rất quan trọng đối với việc thiết kế các loại cây trồng trong tương lai thích nghi tốt hơn với những thách thức mà chúng ta phải đối mặt với biến đổi khí hậu và các kiểu thời tiết thay đổi", Malcolm Bennett, nhà khoa học thực vật của Đại học Nottingham giải thích.