Siêu âm tiết lộ bí mật về khả năng chịu hạn của cây

Mô của thực vật sống ẩn chứa bí mật giúp lý giải tại sao một số loài cây có thể hồi phục sau hạn hán, trong khi những cây khác chết khô. Nhưng nghiên cứu thân cây trong các cánh rừng già là điều thách thức, vì các nhà khoa học không thể chụp cắt lớp một cái cây nhiều tuổi như trong phòng thí nghiệm được. Vì thế, hầu hết các nghiên cứu về ảnh hưởng của hạn hán lên thực vật đều được thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các cây non, hoặc là khoét lõi cây trưởng thành.

Barbara Beikircher, nhà sinh lý học sinh thái tại Đại học Innsbruck, Áo, và đồng nghiệp đã nghĩ ra một phương pháp mới. Họ đưa phòng thí nghiệm vào rừng. Tại khu rừng Kranzberg, Munich, Đức, nhóm nghiên cứu lắp các cảm ứng siêu âm chống nước, chắc chắn lên các thân cây vân sam (Picea abies) và dẻ gai (Fagus sylvatica) trưởng thành. Một số cây được lợp mái để che mưa, tạo ra môi trường giống hạn hán vào mùa hè. Sau 5 năm theo dõi, nhóm nghiên cứu nhận thấy cây dẻ gaichịu hạn tốt hơn cây vân sam.

Các nhà khoa học theo dõi các loài cây để tìm hiểu xem vì sao một số loài có thể chống chịu khô hạn hơn các loài khác. Thông tin này sẽ đóng vai trò quan trọng giúp các cánh rừng thích ứng với hạn hán ngày càng kéo dài và thường xuyên hơn. Ảnh: Alexander Gulde

Cây bị hạn thường phát ra các tín hiệu siêu âm nhiều hơn cây được hưởng mưa hè. Những sóng âm thanh yếu ớt này phát ra từ các bong bóng khí nằm sâu trong hệ mạch của cây, đây là hiện tượng tắc mạch. Bình thường, sức căng bề mặt và sự bốc hơi từ các lỗ khí trên lá giúp nước vận chuyển dọc lên thân cây qua hàng nghìn các mạch nước tí hon. Nhưng nếu đất không có đủ nước, lực kéo này có thể tạo ra bong bóng khí gây tắc mạch. Trong thí nghiệm kể trên, cây vân sam phát ra nhiều sóng siêu âm hơn dẻ gai, cho thấy vân sam bị tắc mạch nhiều hơn.

Tuy vậy, cây dẻ gai dường như không quá dè sẻn trong việc quản lý lượng nước, ít nhất là ở phần lá thân và lá. Cây xanh có thể tránh tắc mạch bằng cách đóng các lỗ khí trên lá. Nhưng đổi lại, điều này sẽ khiến cây mất đi nguồn khí carbonic cần cho quang hợp, đây là quá trình tạo ra các chất carbohydrate và đường cần cho sự sống và tăng trưởng của cây. Vậy là trong thời kỳ khô hạn, cây phải đối mặt với hai lựa chọn khó khăn là chịu đói hay chịu khát.

Các nhà nghiên cứu lắp cảm ứng siêu âm và đầu dò điện để tìm hiểu xem cây chịu hạn như thế nào. Ảnh: Đại học Innssbruck

Thế nhưng dẻ gại lại ít bị tắc mạch hơn vân sam, cho dù nó mở lỗ khí trên lá lâu hơn. Có lẽ là bởi vì rễ dẻ gai ăn sâu hơn vào lòng đất để lấy nước. Bằng chứng được thấy qua một thí nghiệm khác, sau khi các nhà nghiên cứu làm dịu tình trạng hạn hán.

Vào cuối thí nghiệm, khi nhóm nghiên cứu tưới ướt đất, hầu hết các cây đều hồi phục tốt trong các phép đo: Tốc độ quang hợp ở các cây phải chịu hạn tăng lên tương đương với các cây trong nhóm kiểm soát, và nước lấp đầy các bong bóng khí.

Nhưng khi đo điện trở, một chỉ số cho thấy mức độ ẩm ở sâu trong thân cây, các nhà nghiên cứu nhận thấy lượng nước dự trữ trong thân vân sam vẫn cạn kiệt. Một mùa mưa có vẻ như chưa đủ cho những cây này phục hồi hoàn toàn. Không rõ liệu các cây vân sam có thể bổ sung lượng nước dự trữ sau khi trải qua thời gian hạn hán kéo dài hay không, hoặc là sẽ mất bao lâu để làm việc đó.

Những loài thực vật có khả năng chống chịu hạn hán và phục hồi nhanh hơn sẽ trở nên phổ biến trong các khu rừng tương lai, vì biến đổi khí hậu sẽ khiến hạn hán kéo dài và thường xuyên hơn. Như vậy, kết cấu rừng ôn đới có thể sẽ thay đổi khi Trái đất nóng lên, gây ra những hậu quả khó dự đoán lên các loài sinh vật khác trong hệ sinh thái này.

Nhóm nghiên cứu muốn tìm hiểu thêm, liệu một cánh rừng có sự hiện diện của nhiều loài cây hơn có thể giúp những loài cây kém chịu hạn như vân sam sống sót hay không. Họ dự đoán có thể trồng xen kẽ cây dẻ gai và cây vân sam vì cây dẻ gai có rễ sâu hơn, nó sẽ hút nước lên tầng đất trên và nhờ thế cây vân sam được hưởng lợi.