18.2.20

Một loài thực vật có khả năng giúp chúng ta hiểu tình trạng biến đổi khí hậu


Mái nhà chung của chúng ta cho các lập luận táo bạo và những nhà tư tưởng lớn
MỘT LOÀI THỰC VẬT CÓ KHẢ NĂNG GIÚP CHÚNG TA HIỂU TÌNH TRẠNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
REUTERS / CHRIS HELGREN
Những chiến binh khiêm nhường
Loài hoa hướng dương khiêm nhường dường như không thuộc về quả đất này. Phần đầu màu vàng của nó nằm trên cuống như một cây chổi có màu xanh lá. Hạt của nó - sắp xếp theo hình xoắn logarith - được sinh ra từ các bộ phận gọi là các đĩa hoa, chúng nổi lên ở ngay chính giữa của đầu hoa và lồi ra ngoài. Nhưng ngoài việc là một điều kỳ diệu của sinh học, thì hoa hướng dương còn thường được chú ý trong khoa học.
Từ việc hiểu các loài thực vật mới đã xuất hiện ra sao cho đến việc nghiên cứu “sự hướng về phía mặt trời” của những bông hoa, cụ thể là bằng cách nào mà những bông hoa lại có thể hướng về vị trí của mặt trời trên bầu trời, người ta đã thấy rằng hoa hướng dương chính là đứa con cưng trong lĩnh vực khoa học. Tuy nhiên, cho đến gần đây, các nhà nghiên cứu mới chỉ hiểu phần nào về loài hoa này, họ đã thiếu kiến thức di truyền chuyên sâu về nó. Và sau gần một thập kỷ, cuối cùng thì việc này cũng đã được giải quyết.
Loren Rieseberg (1961-)
Sau một thời gian tập trung toàn lực thực hiện nhiệm vụ nặng nề là xác định trình tự và lắp ráp bộ gien hoa hướng dương, một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm 59 nhà nghiên cứu đã công bố các kết quả nghiên cứu của họ trong một bài báo vào năm 2017 trên tạp chí Nature [Tự nhiên]. Thành tựu này sẽ cung cấp một cơ sở di truyền cho chúng ta để hiểu hoa hướng dương đã phản ứng và thích nghi với các môi trường sống khác nhau như thế nào. “Chúng tôi đang trên đà tìm hiểu khả năng thích nghi của hoa hướng dương”, Loren Rieseberg - chuyên gia hướng dương học hàng đầu tại Đại học British Columbia [Canada] và cũng là giám đốc nghiên cứu này - cho hay.
Với việc lắp ráp bộ gien của hoa hướng dương, các nhà khoa học hy vọng vào giai đoạn sự nghiệp khoa học tiếp theo của hoa hướng dương: đó chính là việc loài cây này sẽ trở thành một “loài cây trồng điển hình” nhằm nghiên cứu khả năng thích ứng khí hậu của mọi loài thực vật. Nhiệm vụ này đã trở nên phức tạp và cấp bách hơn bao giờ hết. Theo một bài báo trong Biên niên sử Thực vật học, tình trạng biến đổi khí hậu “sẽ ảnh hưởng đến tất cả các khía cạnh của chuyên ngành sinh học thực vật trong những thập kỷ sắp tới”, điều này đặt ra một mối đe dọa chung cho các loài cây trồng lẫn cho các loài thực vật hoang dã.
Thứ khiến cho hoa hướng dương có ích trong việc nghiên cứu tình trạng biến đổi khí hậu chính là khả năng phục hồi một cách tự nhiên của loài cây này. Với khả năng chống chọi với tình trạng hạn hán, độ ngập mặn cao, các hệ sinh thái biến đổi lớn, và nhu cầu cần ít phân bón, thì hoa hướng dương chính là một trong những loài thực vật có khả năng sống sót nhất sau ngày tận thế của thiên nhiên.
Hoa hướng dương là một trong những loài thực vật có khả năng sống sót nhất sau ngày tận thế của thiên nhiên.
Christopher Grassa
Michael Kantar
Giờ đây, những nhà khoa học ngưỡng mộ [loài hoa hướng dương] đang hy vọng rằng họ sẽ tối đa hóa các tiềm năng của loài hoa này. Mặc dù bộ mặt phía trước của hoa hướng dương trông như một vị nữ hoàng, nhưng nó có thể sống ở bất kỳ đâu, chẳng hạn như ở đầm lầy muối, cồn cát, và vùng hoang mạc khô cằn. “Tôi đã làm việc ngay giữa sa mạc trên những cồn cát này, và chẳng có bất kỳ loài thực vật nào ngoài hoa hướng dương vẫn bám trụ ở đó”, Christopher Grassa - nhà hướng dương học ở đại học Harvard [Hoa Kỳ] và cũng là một nhà nghiên cứu tham gia vào dự án nghiên cứu này - cho hay.
Nhờ sự đa dạng và khả năng thích nghi to lớn của nó, người ta có thể tìm thấy hoa hướng dương ở rất nhiều hệ sinh thái trên khắp Bắc Mỹ, từ các sa mạc ở bang New Mexico [Hoa Kỳ] cho đến vùng đồng bằng lạnh giá của bang North Dakota [Hoa Kỳ]. “Với sự hiểu về tình trạng biến đổi khí hậu, chúng tôi rất lo lắng về rất nhiều đặc điểm của tình trạng này, thế nhưng vẫn có những loài hoa hướng dương đã thích nghi được với những điều kiện khắc nghiệt”, Michael Kantar - giáo sư đại học Hawaii ở Manoa [Hoa Kỳ], người điều hành Phòng thí nghiệm của Kantar trong mối liên hệ giữa khoa học về gien, nông nghiệp và sinh thái - cho hay. “Vì vậy, bạn sẽ thấy sự đa dạng đáng kinh ngạc này sẽ giúp chúng ta khai thác [chúng hiệu quả]. Và từ bây giờ, với bộ gien, bạn có thể làm điều đó với độ chính xác cao hơn rất nhiều”, Kantar cho hay.
Helianthus argophyllus
Helianthus winteri
Có khoảng 50 loài hoa hướng dương. Một số loài có nhiều đầu hoa nhưng mà nhỏ hơn (có tên kỹ thuật là các cụm hoa), một số có vẻ rậm rạp hơn, một số ở gần mặt đất hơn. Loài hoa hướng dương lá bạc (Helianthus argophyllus) - được tìm thấy ở dọc bờ biển Texas - được phủ đầy bằng những sợi lông màu bạc; loài cây cúc vu (Helianthus tuberosus) có rễ, có thể ăn được; và loài hoa hướng dương mùa đông (Helianthus winteri) thân gỗ - được tìm thấy chủ yếu dọc theo các vách đá dốc đứng ở bang California [Hoa Kỳ].
Một khía cạnh khác của nét quyến rũ của loài hoa hướng dương chính là cái mà Kantar gọi là “khả năng chấp nhận văn hóa rộng rãi” của nó. Hoa hướng dương được biết đến không chỉ vì vẻ đẹp của nó, mà còn vì nó là một loại thực phẩm nữa. Đây là một trong năm loài cây trồng hạt có dầu lớn nhất trên thế giới, và nó cũng được sử dụng trong làm bánh, đồ ăn nhẹ và thức ăn cho chim. Những người trồng hoa hướng dương đầu tiên chính là những người da đỏ bản địa ở Hoa Kỳ đây là một trong số ít loài cây trồng có nguồn gốc ở Hoa Kỳ và ngày nay được trồng rộng rãi trên khắp thế giới như ở Nga, Ukraine, Trung Quốc, châu Phi, Argentina, châu Âu và ở ngay trên chính quê hương Hoa Kỳ của nó.
Bộ gien của hoa hướng dương
Bộ gien hoa hướng dương được lắp ráp gần đây đã cung cấp cho các nhà khoa học khả năng để xác định vị trí của các gien nằm trên nhiễm sắc thể 17 của cây này. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu cải tiến các đặc tính cụ thể hơn của nó, từ khả năng chịu hạn cho đến “khả năng chịu đổ ngã” (lodging), mà đây chính là tên kỹ thuật mô tả sự đổ ngã trước gió của hoa hướng dương. Rieseberg dự đoán rằng các loài hoa hướng dương ở Hoa Kỳ trong tương lai - được trồng với mục đích chống biến đổi khí hậu - có thể có những chiếc lá màu xanh-xám với những sợi lông màu bạc, làm nhiệm vụ che chở cho cây, điều này giúp cho chúng chịu hạn tốt hơn giống như loài hoa hướng dương lá bạc, và giúp cho hạt của chúng có thể chứa nhiều dầu hơn. Chúng có thể có rễ và thân khỏe hơn mà không bị gãy đổ trước gió. Thậm chí, chúng có thể trở thành “loại cây có giống ngày trung tính” (day neutral), nghĩa là chúng sẽ nở hoa mà không cần có bất kỳ tín hiệu nào từ mặt trời.
Cùng với những ứng dụng thực tiễn của nó, bộ gien được lắp ráp [của hoa hướng dương] là một thành tựu [của loài người] theo đúng nghĩa của nó. Grassa giải thích rằng hoa hướng dương bao gồm vô số sợi dài giống y như nhau, khiến nó đặc biệt khó chịu để xác định trình tự và lắp ráp [bộ gien của nó]. Nếu kéo giãn ra, thì bộ gien hoa hướng dương sẽ dài 1,5 mét và chứa 3,6 tỷ cặp bazơ tức là gấp đôi số lượng gien người.
Bộ gien hoa hướng dương dài 1,5 mét và chứa 3,6 tỷ cặp bazơ — tức là gấp đôi số lượng gien người.
Brent Hulke
Trước nghiên cứu này, các nhà khoa học đã thu lượm những kiến ​​thức chắp vá về cấu tạo di truyền của hoa hướng dương. “Chúng ta chỉ biết một vài đặc trưng trên bộ gien [của hoa hướng dương] mà chúng ta biết”, Brent Hulke - nhà hướng dương học ở Bộ Nông nghiệp Mỹ - cho hay. Hulke ví bản phác họa bộ gien trước đây với một [tấm bản đồ] thế giới cũ, lỗi thời mà trên đó các lục địa đã bị sai lệch. Giờ đây, chúng ta có một tấm bản đồ chính xác hơn rất nhiều (có thể gọi là Google Maps về hoa hướng dương, nếu muốn) từ đó các nhà khoa học có thể sử dụng chúng để tham chiếu chéo giữa các bộ gien của các cá thể hoa hướng dương với bộ gien tham chiếu. Những khu vực - mà ở đó hai đặc trưng phân biệt này giúp ta có một cái nhìn sâu sắc về các gien - làm gia tăng một giống loài hoặc đặc tính cụ thể.
Edith’s checkerspot
Camille Parmesan (1961-)
Camille Parmesan - một trong những người đầu tiên ghi nhận tác động của biến đổi khí hậu lên loài vật hoang dã trong bài báo năm 1996 về loài bướm Edith’s checkerspot [đây là loài bướm sống ở Bắc Mỹ, cánh màu đen, cam, trắng - ND] của cô - “thường cảm thấy rằng hệ thống hoa hướng dương sẽ rất đẹp khi nhìn từ góc độ biến đổi khí hậu”. Giống như loài bướm Edith’s checkerspot, sự phân bố rộng khắp của hoa hướng dương trên khắp Bắc Mỹ cho phép các nhà khoa học nghiên cứu loài hoa này trong rất nhiều điều kiện khí hậu khác nhau và hiểu được các giới hạn di truyền của nó. Các loài thực vật ở khắp nơi trên thế giới đều có những thích ứng trước tình trạng biến đổi khí hậu — chẳng hạn như một thích ứng chung là các loài hoa đều điều chỉnh thời gian ra hoa nhưng sự phân bố của hoa hướng dương đã khiến cho nó có nhiều nghiên cứu sâu hơn.
Chris Gassa
Một bản đồ di truyền của hoa hướng dương được thuần hóa (Helianthus annus) cho thấy trật tự tuyến tính của các gien được sắp xếp trên nhiễm sắc thể 17 và thật trớ trêu trông giống như một bông hoa hướng dương thực sự. Những vạch đen thể hiện phần mật ngọt và những vạch trắng thể hiện hàm lượng dầu cao của cây.
Tuy nhiên, Parmesan không thích thuật ngữ “hệ thống điển hình” (model system), mà trong đó con người nghiên cứu một loài sinh vật để hiểu được một hiện tượng sinh học cụ thể. Với cô, chuyện này ám chỉ đó là một hệ thống thích nghi cho phòng thí nghiệm. “Tôi cho rằng hoa hướng dương thực sự tốt hơn [các hệ thống điển hình] bởi vì bạn có rất nhiều khả năng để nhìn thấy những khác biệt trong lĩnh vực này không chỉ trong những cánh đồng, mà còn trong các hệ thống [thiên nhiên] hoang dã.
Sự tương tác của một loài thực vật (hay bất kỳ loài sinh vật nào) với môi trường sống của nó là vừa cực kỳ hệ trọng vừa rất phức tạp. Khả năng vừa tiến hóa qua các thế hệ vừa tự biến đổi sự sinh triển của nó để thích ứng với môi trường sống (được gọi là tính mềm dẻo) của một loài thực vật là rất quan trọng cho việc liệu nó có thể tồn tại trong điều kiện khí hậu thường biến đổi và khó lường, mặc dù người ta thường khó phân biệt các thích ứng này hay không. Các loài thực vật sống trong các điều kiện khí hậu thường biến đổi và khắc nghiệt nhất trong suốt chiều dài lịch sử [của môi trường sống của chúng] - như ở bang Texas [Hoa Kỳ] - sẽ có khả năng sinh tồn cao nhất, mặc dù hướng nghiên cứu này chỉ mới hình thành. “Một số loài thực vật có nguồn gốc từ các vùng khí hậu vốn khắc nghiệt dường như có khả năng sinh tồn cao hơn so với các loài thực vật đến từ các vùng khí hậu ôn hòa hơn”, Parmesan cho hay.
Chẳng hạn như, miền Trung Tây [Hoa Kỳ] có khí hậu rất ổn định kéo dài trong suốt 200-300 năm qua, nhưng trong những năm gần đây, khu vực này đã có nhiều biến động hơn như khu vực này nóng hơn vào tháng 8 và có mưa trễ hơn vào mùa xuân. “Là một người Mỹ và trong tư cách là một người tiêu dùng, tôi đã vô cùng lo lắng vì chuyện này”, Parmesan cho hay. “Sức mạnh trong nông nghiệp thì phụ thuộc vào ... điều kiện khí hậu tương đối ổn định, và chúng ta đang mất dần sức mạnh này.” Hệ thống nông nghiệp sản lượng cực cao hiện nay của chúng ta hoạt động tốt trong điều kiện khí hậu cực kì ổn định, nhưng Parmesan dự đoán rằng những khu vực sản xuất lớn này sẽ phải vật lộn [để thích ứng] nhiều hơn trong việc thích ứng với sự biến đổi [khí hậu] so với các trang trại hữu cơ nhỏ. “Rất khó để thay đổi những gì đã trồng khi bạn đã chi 200.000 (đô la) cho máy gặt đập và cho những người quản lý đồn điền chỉ chuyên trồng bắp.”
Naupaka Zimmerman

Nhiệm vụ mới trong tầm tay chúng ta — [cụ thể là] phát triển hạt giống đáp ứng những thách thức của cả một vùng đất bị ngập nước và khô cằn sẽ là một mục tiêu sắp tới mà chúng ta theo đuổi. Chuyên gia vi sinh vật học tại đại học San Francisco [Hoa Kỳ] Naupaka Zimmerman đã trích dẫn tương tự khi so sánh sự thích nghi của thực vật với thế giới của Nữ hoàng Đỏ trong tác phẩm Nhìn qua gương soi (Through the looking Glass) của nhà văn Lewis Carroll, ở đó người ta phải chạy để sinh tồn trên cùng một nơi. Tuy nhiên, ông nói thêm về sự tương tự này: Khi tình trạng biến đổi khí hậu trở nên tệ hơn, các loài thực vật và con người đều buộc phải thích nghi thậm chí là nhanh hơn để sinh tồn trên cùng một vùng đất. “Tốc độ [biến đổi] của mọi thứ phải tăng nhanh để giữ nó ở lại trong một nơi,” ông ấy nói, “và thậm chí ở đây còn chưa tính sự tăng lên của quy mô dân số, mà hiện nay quy mô này vẫn chưa tới hạn.”
Có một điều rõ ràng là: Cuối cùng thì vẫn có những bông hoa hướng dương. Có lẽ, sau tất cả những nỗ lực uốn loài hoa này theo nhu cầu của chúng ta, thì rốt cuộc, chúng vẫn sẽ nằm ngoài tầm kiểm soát của chúng ta. Nếu chúng ta rút lui khỏi cuộc đua chống biến đổi khí hậu, thì loài hoa hướng dương vẫn sẽ sinh tồn. Với hình dạng vừa ngắn vừa rộng, được phủ những sợi lông màu bạc, thành cụm và với các hạt có dầu nổi lên như có hàng ngàn con mắt, loài hoa hướng dương sẽ sinh tồn như chúng vẫn luôn vậy.
Greta Moran
CỘNG TÁC VIÊN
Greta Moran
Greta Moran là một người viết báo cộng tác ở New York quan tâm đến sức khỏe cộng đồng và các lĩnh vực liên quan. Cô là sinh viên tốt nghiệp ngành báo chí khoa học tại Trường Báo chí Columbia [Hoa Kỳ]. Để tìm đọc thêm về công việc của cô, xin vui lòng vào trang web sau xem www.gretalmoran.com.
Nguyễn Việt Anh Nguyễn Bích Ngọc dịch
Print Friendly and PDF