Cây vươn về ánh sáng, rễ đâm xuống đất: hướng động và hoóc-môn auxin

Cây vươn về phía ánh sáng vì tế bào ở phía thân bị khuất sáng dài ra nhanh hơn phía được chiếu sáng, làm ngọn cong dần về phía nguồn sáng. Thứ điều khiển chuyện này là auxin, một hoóc-môn thực vật bị dồn sang phía tối. Rễ đâm xuống đất vì đầu rễ có những hạt tinh bột nặng lắng theo trọng lực, báo cho rễ biết đâu là "dưới". Các vận động có hướng như vậy gọi chung là hướng động.

Cảnh ta gặp mỗi ngày

Chậu trầu bà, chậu lan ý đặt cạnh cửa sổ chỉ sau một hai tuần là nghiêng hẳn ra phía ngoài, phải xoay chậu thường xuyên cho cây mọc thẳng. Mầm giá đỗ ủ trong thùng tối mọc dài, trắng, cong queo; vừa đưa ra chỗ sáng thì ngọn ngóc lên. Ngô, lúa bị gió quật đổ rạp sau vài ngày lại ngóc ngọn lên trời, thân cong như khuỷu tay. Cây mướp, cây bầu thò tua cuốn ra, chạm cọc giàn là quấn chặt.

Tất cả là những biểu hiện của hướng động: phần cây sinh trưởng theo một hướng do kích thích từ một phía quyết định. Sách giáo khoa Sinh học phổ thông ở Việt Nam chia thành nhiều loại:

Hướng động khác với vận động như lá me khép ban đêm (bài riêng về lá ngủ): lá khép mở nhờ thay đổi trương nước có thể đảo ngược mỗi ngày, còn hướng động là cây lớn lệch về một phía, uốn cong lâu dài.

Hướng sáng: thí nghiệm của bố con Darwin

Khoảng năm 1880, Charles Darwin và con trai Francis làm thí nghiệm với mầm cỏ mới nhú. Mầm của cây họ Lúa có một lớp bao nhọn bọc lá non gọi là bao lá mầm. Họ chiếu sáng một phía và thấy:

• Mầm bình thường cong về phía ánh sáng.
• Che chóp mầm bằng một chiếc mũ nhỏ không cho ánh sáng lọt qua thì mầm không cong nữa.
• Che phần thân bên dưới, để hở chóp, thì mầm vẫn cong, và chỗ cong lại nằm bên dưới, không phải ở chóp.

Họ kết luận: chóp mầm "cảm nhận" ánh sáng, rồi có một "ảnh hưởng" nào đó truyền xuống phần dưới làm nó cong. Gần 50 năm sau, năm 1928, nhà thực vật học người Hà Lan Frits Went tách được chất đó bằng cách đặt chóp mầm lên khối thạch: khối thạch "thấm" chất này, đặt lệch lên mầm đã cắt chóp là mầm cong dù trong tối. Chất ấy được đặt tên là auxin.

Cơ chế ngày nay

1. Ở chóp ngọn có các sắc tố thụ cảm ánh sáng, nhạy nhất với ánh sáng xanh lam (nhóm protein gọi là phototropin).
2. Khi ánh sáng đến từ một phía, các tế bào điều chỉnh "cổng" vận chuyển auxin, khiến auxin dồn nhiều hơn sang phía bị khuất.
3. Ở thân, auxin làm vách tế bào dễ giãn, tế bào hút nước và dài ra. Phía tối nhiều auxin hơn nên dài ra nhanh hơn.
4. Một bên dài, một bên ngắn: ngọn cong về phía sáng.

Lợi ích quá rõ: lá được đưa ra chỗ có nhiều ánh sáng để quang hợp, vượt khỏi bóng của cây bên cạnh.

Hướng trọng lực: rễ biết đâu là "dưới"

Hạt gieo lộn ngược thì sao? Rễ mầm vẫn uốn xuống, thân mầm vẫn uốn lên. Cây cảm nhận trọng lực bằng những tế bào ở chóp rễ (và ở một lớp tế bào trong thân) chứa các hạt tinh bột đặc gọi là thể bột lắng (statolith). Chúng nặng hơn phần còn lại của tế bào nên luôn lắng xuống phía dưới, giống viên bi trong cốc.

Khi rễ nằm ngang, các hạt lắng về mặt bên dưới của tế bào. Tế bào "đọc" vị trí đó và điều chỉnh để auxin dồn sang phía dưới của rễ. Ở đây có một điểm nghe ngược đời nhưng rất quan trọng: với rễ, nồng độ auxin cao lại kìm hãm sự dài ra, trong khi với thân thì thúc đẩy. Vì vậy:

• Ở rễ nằm ngang: phía dưới nhiều auxin, dài chậm; phía trên dài nhanh hơn, nên rễ cong xuống.
• Ở thân nằm ngang: phía dưới nhiều auxin, dài nhanh; nên thân cong lên.

Cùng một chất, hai phản ứng trái ngược, cho ra kết quả đúng như cây cần: rễ đi tìm đất và nước, thân đi tìm trời.

Các thí nghiệm trên trạm vũ trụ quốc tế, nơi gần như không có cảm giác trọng lực, cho thấy rễ cây mọc theo nhiều hướng hơn và bị ánh sáng, độ ẩm chi phối nhiều hơn. Trên mặt đất, người ta dùng máy quay chậm (clinostat) xoay cây liên tục để "xoá" hướng trọng lực và nghiên cứu phản ứng còn lại.

Hướng nước và hướng tiếp xúc

Hướng nước: rễ có thể mọc lệch về phía đất ẩm hơn. Đó là một lý do rễ cây to hay len vào ống nước rò rỉ, khe cống ẩm. Thực tế hướng nước khó tách bạch khỏi hướng trọng lực, và các nhà khoa học chỉ hiểu cơ chế của nó trong vài chục năm gần đây.

Hướng tiếp xúc: tua cuốn của mướp, bầu, bí, đậu Hà Lan chạm vào cọc thì tế bào phía không chạm lớn nhanh hơn, tua cuộn quanh vật đỡ. Phần tua còn lại xoắn lò xo, kéo cây sát vào giàn và có độ đàn hồi khi gió lay. Darwin cũng dành hẳn một cuốn sách cho cây leo.

Hiểu lầm thường gặp

• "Cây cong vì phía có nắng bị héo." Không. Cây cong vì phía tối lớn nhanh hơn, không phải vì phía sáng co lại.
• "Cây thấy ánh sáng như mắt." Cây cảm nhận hướng và cường độ ánh sáng bằng sắc tố, nhưng không tạo ra hình ảnh. Cây cũng nhạy nhất với ánh sáng xanh lam, khác với mắt người nhạy nhất với vàng lục.
• "Giá đỗ ủ tối là để mầm trắng đẹp." Thiếu sáng làm mầm vươn dài nhanh, không tạo diệp lục nên trắng (gọi là hiện tượng mọc vống). Đó là cách cây tìm ánh sáng khi bị vùi, chứ không phải cây "thích" bóng tối.
• "Hướng động và vận động lá giống nhau." Hướng động là sinh trưởng lệch, lâu dài. Vận động như lá ngủ, trinh nữ cụp lá là thay đổi trương nước, nhanh và lặp lại được.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Hộp mê cung. Lấy một hộp giày, khoét một lỗ tròn cỡ đồng xu ở một đầu. Dán hai, ba vách ngăn bằng bìa so le bên trong. Đặt một chậu nhỏ gieo hạt đậu ở đầu kia, đậy nắp, để lỗ hướng ra cửa sổ. Sau một, hai tuần, ngọn đậu sẽ uốn lượn qua các vách để chui ra lỗ.
2. Nghiêng chậu. Đặt nằm ngang một chậu đậu non (buộc túi ni lông quanh mặt đất cho khỏi đổ). Sau một ngày, chụp ảnh: ngọn đã ngóc lên.
3. Hạt nảy mầm trong cốc trong. Lót giấy ăn ẩm quanh thành cốc nhựa trong, kẹp vài hạt đậu xanh giữa giấy và thành cốc, mỗi hạt đặt một kiểu: ngửa, úp, nằm ngang. Sau vài ngày, rễ nào cũng quay xuống. Xoay cốc 90 độ, quan sát rễ đổi hướng sau một hai ngày.
4. Thử mũ của Darwin. Gieo hạt ngô hoặc thóc trong khay. Khi mầm nhú vài phân, đội lên chóp một số mầm chiếc mũ nhỏ bằng giấy bạc. Chiếu sáng một phía bằng cửa sổ. So xem mầm nào cong, mầm nào không.

Chỉ dùng đất trồng, hạt giống ăn được, đèn bàn LED loại thường. Không dùng đèn sưởi nóng sát cây và không để trẻ nhỏ cho hạt vào miệng.