Bộ nhớ căng thẳng ở thực vật giúp nắm giữ chìa khóa để phát triển cây trồng kháng bệnh

Tác dụng ngắn hạn và dài hạn của JA đối với khả năng chống lại ba loại bất lợi sinh học khác nhau. Nguồn: Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-022-01313-9.

Các nhà khoa học tại Đại học Sheffield đã phát hiện ra một cơ chế đằng sau cách thực vật có thể phát triển khả năng miễn dịch lâu dài đối với điều kiện bất lợi.

Bất lợi sinh học mà thực vật gặp phải có thể ở hình thức tấn công bởi côn trùng ăn cỏ hoặc tác nhân gây bệnh. Đối với các loại cây trồng sản xuất lương thực, tình trạng bất lợi này gây ra rủi ro đáng kể đối với năng suất cây trồng và hiện đang được quản lý bằng việc sử dụng rộng rãi thuốc trừ sâu, gây hại cho môi trường và có thể gây rủi ro cho sức khỏe con người.

Do nhu cầu cấp thiết phải tìm ra các phương pháp bảo vệ thực vật tốt hơn và bền vững hơn, giáo sư Jurriaan Ton, từ Viện Thực phẩm Bền vững của Đại học Sheffield và nhóm của ông, đã nghiên cứu cách thực vật có thể có được khả năng miễn dịch lâu dài chống lại các tác động gây bất lợi này.

Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Nature Plants, giải thích cơ chế về cách thực vật 'ghi nhớ' bất lợi từ một cuộc tấn công trước đó và bộ nhớ dài hạn này được mã hóa ở họ 'DNA thừa-rác' có thể tạo ra các gen bảo vệ trong vài tuần chống lại các cuộc tấn công tiếp theo.

Tiến sĩ Ton, giáo sư về Tín hiệu Môi trường Thực vật từ Trường Khoa học Sinh học của Đại học Sheffield và là tác giả chính của nghiên cứu đã cho biết những phát hiện này mang đến những cơ hội mới để kiểm soát khả năng miễn dịch của thực vật nhằm bảo vệ cây trồng bền vững và giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào thuốc trừ sâu gây hại cho sản xuất lương thực.

Ông nói: "Chúng ta dựa vào thực vật để nuôi sống hành tinh, nhưng về cơ bản chúng nằm ở cuối chuỗi thức ăn, chúng không thể di chuyển nên rất dễ bị tấn công từ mọi phía, bao gồm cả côn trùng ăn cỏ và tác nhân gây bệnh. Giống như động vật, tuy nhiên, thực vật đã phát triển khả năng đạt được miễn dịch sau khi phục hồi từ bất lợi sinh học, chúng sử dụng các cơ chế khác nhau để làm như vậy".

"Những phát hiện của nghiên cứu không chỉ là một bước tiến lớn trong hiểu biết của chúng ta về cách thực vật 'ghi nhớ' bất lợi từ các tấn công trước đó, mà còn phát hiện ra một chức năng biểu sinh mới của họ 'DNA rác' cụ thể (gen nhảy; DNA thực hiện không mã hóa protein thực vật). Kiến thức này đã có thể giúp chúng tôi phát triển các chiến lược nhân giống mới và chọn các giống cây trồng để sản xuất lương thực có khả năng chống lại sâu bệnh".

Nghiên cứu đã điều tra các tác động lâu dài của hormone bất lợi thực vật axit jasmonic đối với Arabidopsis thaliana, thường được gọi là cải xoong, họ hàng với bắp cải và mù tạt. Tiếp xúc với sâu bướm, nhóm cây con được xử lý bằng axit jasmonic duy trì mức độ thiệt hại thấp hơn so với nhóm đối chứng.

Mặc dù tác dụng ngắn hạn của axit jasmonic đối với khả năng phòng vệ của thực vật đã được ghi chép rõ ràng, nhưng tác dụng lâu dài thì không và nhóm đã phát hiện ra rằng ký ức miễn dịch về sự bất lợi khi được xử lý bằng axit jasmonic có thể kéo dài trong vài tuần và được truyền sang những chiếc lá mới đã phát triển để cung cấp sức đề kháng lâu dài chống lại sâu bướm.

Kết quả đã cho thấy khả năng miễn dịch thu được này được kiểm soát bởi các cơ chế biểu sinh, liên quan đến các phân tử RNA nhỏ được tạo ra bởi họ transposon AtREP2, kết nối với protein liên kết RNA nhỏ, AGO1. Sau đó, các protein AGO1 được nạp RNA sẽ tạo ra các gen bảo vệ ở xa để có phản ứng nhanh hơn và mạnh hơn đối với tình trạng bất lợi tiếp theo.

Nghiên cứu này cung cấp một mô hình đầu tiên về bộ nhớ miễn dịch lâu dài ở thực vật và cho thấy cách sửa đổi biểu sinh đối với họ DNA rác cụ thể có thể giúp thực vật chống lại sự phá hoại thêm của sâu bệnh.

Tiến sĩ Samuel Wilkinson, Cộng tác viên Nghiên cứu của Trường Khoa học Sinh học và là tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết: "Vì an ninh lương thực toàn cầu là một trong những thách thức lớn nhất mà chúng ta sẽ phải đối mặt trong tương lai, nên chúng ta buộc phải tìm ra những cách thức mới để đảm bảo sức khỏe và sự phát triển của các loại cây trồng mà chúng ta dựa vào".

"Nghiên cứu này là bước đầu tiên để có thể bổ sung và nâng cao hiệu quả cũng như độ bền của các chiến lược nhân giống cây trồng thông thường, bằng cách chọn những cây trồng có khả năng sẵn sàng miễn dịch nâng cao như một giải pháp thay thế cho việc phụ thuộc vào thuốc trừ sâu độc hại".

Các nhà nghiên cứu hiện đang hợp tác với một công ty nhân giống cây trồng quốc tế để khám phá liệu họ có thể khai thác các cơ chế biểu sinh liên quan khác, chẳng hạn như các yếu tố gây bất lợi cho tác nhân gây bệnh và kết hợp chúng thành một chiến lược bảo vệ cây trồng mới cho bộ gen thực vật phức tạp hơn.

Samuel nói thêm: "Nghiên cứu đã mở đường cho chúng tôi phát triển một phương pháp chính xác hơn và có thể điều chỉnh để giới thiệu biến thể biểu sinh có lợi trong bộ gen thực vật. Điều này không chỉ có giá trị đối với việc bảo vệ và nhân giống cây trồng mà còn là một công cụ nghiên cứu có giá trị để khám phá các cơ chế phức tạp nhờ đó DNA biến đổi biểu sinh có thể tạo ra các gen bảo vệ chính trong và qua các thế hệ thực vật".

Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org