Thực vật kích hoạt hệ thống miễn dịch chống lại các mầm bệnh nguy hiểm trong mưa

Một nghiên cứu của các nhà khoa học Đại học Nagoya, Nhật Bản và đồng nghiệp đã phát hiện được, khi cây trồng tiếp xúc với mưa, các cấu trúc giống như lông trên bề mặt lá, được gọi là trichomes nhận ra nước mưa là một yếu tố nguy cơ gây bệnh và kích hoạt hệ thống miễn dịch để ngăn ngừa nhiễm trùng.

Những phát hiện này, được công bố trên tạp chí Nature Communications, sẽ góp phần phát triển các phương pháp bảo vệ thực vật khỏi những bệnh truyền nhiễm do mưa gây ra.

Thực vật có hệ thống miễn dịch của riêng mình, tương tự như con người và các sinh vật đa bào khác. Khi cây phát hiện mầm bệnh sẽ kích hoạt các gen liên quan đến miễn dịch để ngăn bị lây nhiễm.

Hạt nước mưa chứa nhiều mầm bệnh như vi khuẩn, nấm sợi và virus, có thể gây bệnh cho cây trồng. Từ quan điểm này, các nhà khoa học đưa ra giả thuyết, thực vật có thể nhận thấy mưa là một yếu tố nguy cơ gây bệnh và phản ứng để tự bảo vệ khỏi nguy cơ này.

Để tìm hiểu cách thực vật phản ứng với nước mưa, nhóm nghiên cứu do GS Yasuomi Tada và PGS Mika Nomoto thuộc Đại học Nagoya dẫn đầu tiến hành một nghiên cứu, sử dụng cây con Arabidopsis thaliana. Nhóm nghiên cứu phân tích trình tự RNA để kiểm tra gen nào được biểu hiện trong lá khi tiếp xúc với mưa. Các nhà khoa học phát hiện được, một số gene chính liên quan đến miễn dịch đã biểu hiện để phản ứng với mưa, những gene này được điều chỉnh bởi các gene ức chế miễn dịch, được gọi là CAMTA (chất kích hoạt phiên mã liên kết với calmodulin).

Do CAMTA được kiểm soát bởi các ion canxi (Ca 2+), nhóm nghiên cứu giả thuyết rằng nước mưa làm tăng nồng độ Ca 2+ trong tế bào. Các nhà khoa học đã tìm cách xác định, mức độ Ca 2+ trong lá cây Arabidopsis thay đổi ra sao để phản ứng với mưa bằng cách đưa GCaMP3 - gene phát huỳnh quang màu xanh lục khi liên kết với Ca 2+ vào lá. Thí nghiệm cho thấy, khi lá tiếp xúc với mưa, hàm lượng Ca 2+ xung quanh trichomes trên bề mặt lá gia tăng.

Các kích thích cơ học thúc đẩy sự lan truyền đồng tâm cục bộ sóng canxi gian bào ra khỏi trichome. Ảnh: Yasuomi Tada

Kết quả cho thấy, trichomes cảm nhận mưa như một yếu tố nguy cơ và tạo ra sóng canxi (truyền sự gia tăng cục bộ Ca 2+ đến các khu vực xung quanh) qua lá để bất hoạt chất ức chế miễn dịch CAMTA, do đó kích hoạt các gen liên quan đến miễn dịch. Để xác nhận kết quả này, nhóm nghiên cứu tiến hành các thí nghiệm theo cách tương tự nhưng sử dụng những đột biến của cây Arabidopsis thiếu trichomes, kết quả cho thấy sự lan truyền của sóng canxi không diễn ra được ở các đột biến.

Từ kết quả nghiên cứu, có thể nhận thấy, trichomes có vai trò cảm nhận mưa như một yếu tố nguy cơ và kích hoạt các phản ứng miễn dịch. Phát hiện mới có thể giúp tăng cường nhân tạo khả năng phòng thủ của thực vật chống lại bệnh tật bất cứ lúc nào và trong bất kỳ khoảng thời gian nào. Sử dụng công nghệ này, có thể kích hoạt các phản ứng miễn dịch của cây trồng khi điều kiện môi trường khắc nghiệt có thể gây bệnh cho thực vật, giữ được năng suất cây trồng ổn định.