Hầu hết thực vật hấp thụ CO2 vào ban ngày để thực hiện quang hợp. Nhưng một số cây nhiệt đới lại có lịch hoạt động khác thường: khi mặt trời lặn, chúng mở khí khổng để lấy CO2; khi trời nóng và khô vào ban ngày, chúng đóng khí khổng nhằm hạn chế nước bốc hơi.

Cơ chế này được gọi là quang hợp CAM, viết tắt của Crassulacean Acid Metabolism. Nghiên cứu mới của Đại học Vienna cho thấy ba loài cây thuộc chi Clusia đã phát triển các phiên bản CAM rất khác nhau.

Khí khổng là những lỗ nhỏ trên lá cho phép cây trao đổi khí. Trong điều kiện bình thường, cây mở khí khổng vào ban ngày để lấy CO2.

Nhưng việc này cũng làm nước thoát ra ngoài. Ở cây CAM, khí khổng chủ yếu mở vào ban đêm. CO2 được hấp thụ rồi chuyển thành axit malic và lưu trữ trong mô thực vật. Ban ngày, khi khí khổng đóng, cây sử dụng lượng CO2 đã tích trữ để tiếp tục quá trình quang hợp.

Cách này giúp cây giảm đáng kể lượng nước mất đi trong những giờ nóng nhất. Alexander von Humboldt từng nhận thấy một hiện tượng bất thường liên quan tới Clusia từ khoảng 200 năm trước. Giờ đây, nghiên cứu bộ gene đang giúp giải thích nguồn gốc của khả năng đặc biệt này.

Nhóm nghiên cứu phân tích bộ gene của Clusia rosea, Clusia minor và Clusia major. Cả ba đều có dấu vết của hiện tượng đa bội hóa trong lịch sử tiến hóa, tức bộ gene từng được nhân lên. Sau đó, trong hàng triệu năm, các bản sao gene bị mất đi, thay đổi hoặc đảm nhiệm chức năng mới.

Quá trình này gọi là diploidization và tái cấu trúc bộ gene. Điều thú vị là ba loài không sử dụng CAM theo cùng một cách. Clusia rosea có dạng CAM mạnh, hấp thụ và lưu trữ lượng CO2 đáng kể vào ban đêm. Clusia minor chủ yếu kích hoạt CAM khi gặp điều kiện căng thẳng, chẳng hạn thiếu nước.Trong khi đó, Clusia major sử dụng chiến lược lai giữa quang hợp C3 thông thường và CAM.

Điều này cho thấy tiến hóa không nhất thiết tạo ra một “công tắc” bật hoặc tắt CAM. Các loài có thể hình thành nhiều mức độ trung gian.

Phát hiện cho thấy CAM giúp cây sử dụng nước hiệu quả hơn đáng kể. Trong bối cảnh hạn hán ngày càng là thách thức đối với nông nghiệp, các nhà khoa học đang quan tâm đến khả năng đưa một số đặc điểm của CAM vào cây trồng C3 thông thường.

Tuy nhiên, việc biến một cây C3 thành cây CAM không đơn giản. Đây là cả một mạng lưới trao đổi chất và điều hòa gene.

Nghiên cứu mới cung cấp thêm thông tin về những gene và con đường chuyển hóa liên quan đến việc lưu trữ CO2 ban đêm, đặc biệt là các gene tham gia tái sử dụng tinh bột trong lá.

Điều đáng chú ý nhất là tiến hóa của CAM ở Clusia dường như không phải kết quả của một thay đổi duy nhất. Nó là sản phẩm của quá trình bộ gene bị nhân lên, tái tổ chức và “tái sử dụng” qua hàng triệu năm.

Hiểu được quá trình đó có thể giúp các nhà khoa học tìm cách tạo ra những cây trồng sử dụng nước hiệu quả hơn mà không cần sao chép nguyên vẹn toàn bộ hệ thống CAM.