Thực vật, cũng giống như con người và động vật, đã có hàng triệu năm tiến hóa các hệ thống miễn dịch phức tạp chống lại mầm bệnh xâm nhập. Tuy nhiên không giống với nhiều loài động vật, thực vật thiếu khả năng miễn dịch thích nghi được tạo ra bởi các kháng thể. Điều này có nghĩa là mỗi tế bào thực vật phải tự bảo vệ mình trước tất cả các mầm bệnh tiềm ẩn - một nhiệm vụ khó khăn.

Ẩn bên trong mỗi tế bào thực vật, các phức hợp protein được mã hóa bởi các gen kháng bệnh giống như các đội quân đang ngủ, chúng chỉ thức dậy và kích hoạt hệ thống phòng thủ khi phát hiện có mầm bệnh gây hại như nấm hoặc vi khuẩn xâm nhập. Các nhà công nghệ sinh học nông nghiệp đã sử dụng những gen này để tạo ra các loại cây trồng kháng bệnh. Phương thức những gen này hoạt động như thế nào vẫn còn nhiều bí ẩn và các nhà sinh học thực vật đang cố gắng để làm sáng tỏ mọi khía cạnh về chúng.

Trong nghiên cứu mới đây được công bố trên tạp chí Science, một nhóm các nhà sinh học cùng với Phó Giáo sư Sinh học của Đại học bang Colorado, Marc Nishimura, đã làm sáng tỏ một khía cạnh quan trọng của phản ứng miễn dịch thực vật. Phát hiện của họ tiết lộ cách thức protein kháng thực vật kích hoạt sự chết tế bào cục bộ và điều này có thể mở ra các chiến lược mới trong phát triển khả năng kháng bệnh cho cây trồng trong tương lai.

Vai trò của các miền TIR

Cùng với các đồng nghiệp, Nishimura đã xác định cơ chế của một loại protein kháng thực vật ít được biết đến là gọi là thụ thể toll-interleukin-1, còn gọi là miền TIR. Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng trong phản ứng miễn dịch thực vật, miền TIR là một enzyme làm suy giảm một phân tử gọi là NAD +, rất cần thiết cho quá trình trao đổi chất ở tất cả các sinh vật. Bằng cách phân cắt NAD +, cây tự hủy các tế bào bị nhiễm bệnh để bảo vệ những tế bào khác không bị tổn thương.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Agrobacterium để đưa DNA vào tế bào thực vật biểu hiện protein, dẫn đến chết tế bào cục bộ.

          Các phỏng đoán trước đây của các nhà khoa học cho rằng các miền TIR thực vật có thể hoạt động giống như các hệ thống vật lý, xây dựng một cấu trúc gắn vào màng plasma tế bào và thu hút các protein khác vào hệ thống này để bắt đầu phản ứng miễn dịch. Đây là cách các miền này hoạt động trong các tế bào động vật, bao gồm cả ở người.

Nhưng vào năm 2017, các cộng tác viên của Nishimura, tại Đại học Y Washington đã quan sát thấy một miền TIR động vật khác thường, được tìm thấy trong một protein có tên SARM1, nó không hoạt động giống như các hệ thống tín hiệu TIR khác trong các tế bào động vật. Thay vào đó, nó hoạt động như một enzyme. Nishimura và các đồng nghiệp đã bắt đầu thăm dò xem liệu miền này có thể có chức năng tương tự trong khả năng miễn dịch thực vật hay không.

Nghiên cứu mới của Nishimura và đồng nghiệp cho thấy vai trò của các miền TIR trong phản ứng miễn dịch thực vật có chức năng tương tự với vai trò của miền TIR động vật bất thường trong SARM1. Họ phát hiện ra rằng miền TIR của thực vật tự nó là một enzyme tách NAD +, chứ không phải hoạt động như một hệ thống cấu trúc để thu hút các thành phần khác. Nhưng có một sự khác biệt quan trọng. Trong khi miền TIR động vật trong SARM1giết chết các tế bào bằng cách làm cạn kiệt mức NAD +, thay vào đó, các miền TIR thực vật lại xuất hiện để phân tách NAD + để tạo ra một phân tử tín hiệu. Phân tử này (không thấy trong các tế bào động vật) có cấu trúc liên quan đến một phân tử tín hiệu cổ điển được gọi là ADP-Ribose tuần hoàn. Nhóm nghiên cứu hiện đang làm việc để tìm hiểu làm thế nào sản phẩm mới này ảnh hưởng đến sự chết tế bào và khả năng kháng bệnh.

“Trong 25 năm, chúng tôi đã không biết những miền TIR có vai trò gì trong cây. Vì vậy, những kết quả này rất thú vị trong việc thúc đẩy sự hiểu biết của chúng tôi về cách các miền TIR thực sự kích hoạt khả năng miễn dịch.” ông Nish Nishura nói.

Bảo vệ cây lương thực

“Khám phá các con đường sinh hóa riêng biệt trong phản ứng miễn dịch thực vật có thể rất quan trọng để điều khiển các hệ thống thực vật và bảo vệ cây trồng, đặc biệt khi có nhiều mầm bệnh mới xuất hiện và nguồn cung cấp lượng thực toàn cầu ngày càng bị thu hẹp”, Nishimura nói.

Ông hy vọng sự hiểu biết cặn kẽ các thụ thể miễn dịch sẽ giúp chúng ta sử dụng các thụ thể có lợi chuyển cho cây trồng mà không bị thay đổi chức năng của chúng và cuối cùng chúng ta có thể thiết kế hợp lý các thụ thể mới để nhận ra mầm bệnh mới xuất hiện.

Nguyễn Hiếu Hạnh theo Đại học bang Colorado.