Chấp nhận CO2 đầu tiên của thực vật CAM là gì?

Chấp nhận CO2 đầu tiên của thực vật CAM: Một chiến lược sinh tồn trong điều kiện khắc nghiệt

Thực vật, trong hành trình chinh phục mọi môi trường sống trên Trái Đất, đã tiến hóa những chiến lược đa dạng để thích nghi. Một trong những chiến lược đáng chú ý là quá trình quang hợp CAM (Crassulacean Acid Metabolism – Chuyển hóa acid crassulaceae), một giải pháp tinh tế cho vấn đề thiếu nước. Vậy, điều gì làm nên sự đặc biệt của quá trình này, và chất nhận CO2 ban đầu của thực vật CAM là gì?

Khác với thực vật C3 và C4 quen thuộc, thực vật CAM, thường sinh sống ở các vùng khô hạn, sa mạc hay bán sa mạc, đã “tìm ra” một cách để tối ưu hóa việc sử dụng nước. Chúng không cố định CO2 ban ngày, thời điểm nhiệt độ cao và nguy cơ mất nước do thoát hơi nước là rất lớn. Thay vào đó, thực vật CAM thực hiện một chiến lược “thời gian”, chia quá trình quang hợp thành hai giai đoạn riêng biệt: giai đoạn ban đêm và giai đoạn ban ngày.

Chìa khóa của chiến lược này nằm ở chất nhận CO2 ban đầu: phosphoenolpyruvate (PEP). Khác hẳn với RuBP (ribulose-1,5-bisphosphate) trong chu trình C3, PEP là một phân tử có ái lực cao với CO2, cho phép thực vật CAM hấp thụ CO2 hiệu quả ngay cả khi nồng độ CO2 trong khí quyển thấp.

Ban đêm, khi khí khổng mở ra, PEP carboxylase (PEPC), một enzyme xúc tác quan trọng, kết hợp PEP với CO2, tạo ra oxaloacetic acid (AOA). AOA là sản phẩm trung gian ổn định đầu tiên của quá trình quang hợp CAM. AOA sau đó được chuyển hóa thành các dạng acid hữu cơ khác, chủ yếu là malic acid, và được tích trữ trong không bào của tế bào lá. Việc tích trữ này đóng vai trò quan trọng trong việc giữ CO2 trong tế bào qua đêm.

Đến ban ngày, khi khí khổng đóng lại để giảm thiểu mất nước, các acid hữu cơ được giải phóng từ không bào, giải phóng CO2. CO2 được giải phóng này sau đó tham gia vào chu trình Calvin, giống như trong quang hợp C3, để tạo ra đường. Như vậy, thực vật CAM đã khéo léo tách biệt quá trình hấp thụ CO2 và chu trình Calvin ra khỏi nhau, giảm thiểu tối đa sự mất nước trong điều kiện khô hạn.

Tóm lại, oxaloacetic acid (AOA) là sản phẩm ổn định đầu tiên của quá trình cố định CO2 ở thực vật CAM, được tạo ra từ sự kết hợp giữa CO2 và PEP nhờ hoạt động của enzyme PEPC. Sự lựa chọn PEP làm chất nhận CO2 ban đầu cùng với sự phân chia thời gian hấp thụ và sử dụng CO2 đã thể hiện sự thích nghi tuyệt vời của thực vật CAM với môi trường sống khắc nghiệt, minh chứng cho sự đa dạng và tinh tế của thế giới thực vật.