Bộ phận của rễ cây khỏe giúp hạn chế thối rễ

"Hiện tượng 'saprotropism' mới được phát hiện giúp rễ cây hạn chế sự phát triển về phía mà vật chất thực vật đang phân hủy

Chất hữu cơ phân hủy định hình sự sống trong đất, nhưng nó cũng có thể tạo ra những vùng bất lợi cho sự phát triển của rễ cây. Giáo sư Jiří Friml thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) và các cộng sự quốc tế đã xác định được “phản ứng hướng rễ”, một phản ứng của rễ giúp cây tránh xa các chất hữu cơ phân hủy có nguồn gốc từ thực vật—nhưng không phải chất hữu cơ phân hủy có nguồn gốc từ động vật. Nghiên cứu do Giáo sư Yuzhou Zhang thuộc Đại học Nông Lâm Tây Bắc Trung Quốc dẫn đầu và được công bố trên tạp chí Science, cho thấy cách rễ cây điều chỉnh hướng phát triển bằng cách cảm nhận sự thay đổi độ pH cục bộ xung quanh vùng phân hủy.

Rễ cây uốn cong ra xa khỏi phần vật chất thực vật đang phân hủy (ở trung tâm). Quá trình này—mới được các nhà nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) và Đại học Nông Lâm Tây Bắc Trung Quốc xác định—được gọi là hoại sinh, bắt nguồn từ thuật ngữ Hy Lạp “sapro” có nghĩa là “thối rữa”. © Bao et al./Science.

Thực vật không thể chạy trốn khỏi nguy hiểm hay hướng tới thứ chúng mong muốn. Thay vào đó, chúng điều chỉnh hướng phát triển của mình. Chồi non uốn cong về phía ánh sáng (một hiện tượng nổi tiếng gọi là quang hướng động), rễ và chồi sử dụng trọng lực để phát triển xuống dưới và lên trên tương ứng (trọng lực hướng động), và rễ cũng có thể uốn cong về phía nước (thủy hướng động). Những phản ứng tăng trưởng theo hướng này, được gọi là hướng động của thực vật, giúp thực vật thích nghi với môi trường thay đổi. Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Trung Quốc và Áo mô tả một thành viên mới của họ này: hoại hướng động, từ "sapro", có nghĩa là thối rữa hoặc phân hủy.

  
Nấm và các vi sinh vật khác phân hủy vật chất thực vật chết trong đất. Khi làm như vậy, chúng giải phóng các chất hóa học có tính axit lan tỏa ra ngoài như một tín hiệu cảnh báo. Rễ cây gần đó cảm nhận được vùng axit này trước khi chạm vào phần đang phân hủy và uốn cong tránh xa nó. © Bao et al./Science.

“Ý tưởng của Yuzhou là vượt ra ngoài những phản ứng hướng động kinh điển như hướng trọng lực, hướng ánh sáng và hướng nước”, đồng tác giả cho biết.Jiří Friml, giáo sư tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA). “Là một cựu sinh viên của nhóm nghiên cứu của tôi tại ISTA, ông ấy đã nghiên cứu sâu hơn vấn đề này và xác định được hiện tượng hoại sinh, cũng như các cơ chế đằng sau nó”.

Hoại sinh: Đừng chạm vào cây chết, nó rất bẩn!

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên chứng minh rằng việc tiếp xúc trực tiếp với mô thực vật đang phân hủy ức chế mạnh sự phát triển của rễ và kích hoạt các con đường phòng vệ liên quan đến hệ miễn dịch và mầm bệnh. Nói cách khác, rễ coi những vùng phân hủy này là môi trường đe dọa sinh học.

“Động vật theo bản năng tránh thức ăn thối rữa vì nó thường chứa các vi sinh vật có hại”, tác giả chính Yuzhou Zhang, Giáo sư tại Đại học Nông Lâm Tây Bắc Trung Quốc và là cựu thành viên nhóm Friml tại ISTA cho biết. “Chúng tôi tự hỏi liệu thực vật, mặc dù không di chuyển được, có thể đã tiến hóa một chiến lược tương tự dưới lòng đất hay không”.

Và trên thực tế, chúng làm được điều đó: Hiện tượng hướng động mới được phát hiện cho phép rễ chủ động uốn cong tránh xa các chất thực vật đang phân hủy. Trong các thí nghiệm, rễ tránh các vùng phân hủy được tạo ra từ các chất "mềm" như táo hoặc lá cây, và - trái ngược với những giả định ban đầu - cũng tránh cả các vật liệu gỗ như mùn cưa.

Quá trình diễn ra chi tiết: Một khung phân tử cho tính hoại sinh của rễ hướng dẫn sự điều hướng xung quanh sự phân hủy vi sinh vật. Sự phân hủy vi sinh vật tạo ra một môi trường vi mô trong đất đặc trưng bởi độ pH axit ổn định. Sự bất đối xứng pH này được cảm nhận bởi bộ cảm biến pH biểu bì, mô-đun thụ thể peptide RGF-RGFR, chuyển đổi nó thành sự phân bố axit abscisic (ABA) bất đối xứng. Sự bất đối xứng ABA thúc đẩy sự giãn nở tế bào không đồng nhất phụ thuộc vào vi ống và sự xoắn rễ theo một hướng nhất định, cuối cùng hướng rễ tránh xa các vùng phân hủy bất lợi. © Bao et al./Science.

Xác động vật chết không ảnh hưởng đến cây cối

Tuy nhiên, khi các nhà nghiên cứu thử nghiệm với sự phân hủy có nguồn gốc từ động vật, chẳng hạn như những mảnh thịt gà nhỏ, rễ cây không cho thấy phản ứng phát triển theo hướng nhất định.

“Một trong những phát hiện đáng chú ý là rễ cây không chỉ đơn thuần tránh những thứ bị thối rữa”, Friml nói. “Chúng phản ứng đặc biệt với vật liệu thực vật đang phân hủy. Điều này cho chúng ta biết rằng tính hoại sinh không phải là phản ứng chung đối với sự thối rữa, mà là phản ứng chuyên biệt đối với sự phân hủy có nguồn gốc từ thực vật”.

Hiện tượng này không chỉ được quan sát thấy ở cây mô hình Arabidopsis thaliana mà còn ở các loài cây trồng khác như cải dầu, cà chua và lúa mì – cho thấy hiện tượng hoại sinh phổ biến ở thực vật.

Quan sát tác động của một "nghĩa địa thực vật" thu nhỏ

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng một tín hiệu quan trọng đến từ các vi sinh vật, đặc biệt là nấm, khi chúng phân hủy vật chất thực vật chết. Trong quá trình phân hủy, nấm giải phóng các chất chuyển hóa có tính axit, bao gồm axit hữu cơ và axit phenolic. Các hợp chất này khuếch tán vào đất xung quanh và tạo ra gradient pH cục bộ ổn định xung quanh vật liệu đang phân hủy. Rễ cây có thể phát hiện ra mô hình độ axit này ngay cả trước khi tiếp xúc trực tiếp và sử dụng nó như thông tin định hướng, uốn cong tránh xa phía có tính axit cao hơn.

Tuy nhiên, Zhang giải thích "nghĩa địa thực vật" không phát ra tín hiệu cảnh báo vĩnh viễn — nó tự động ngừng hoạt động sau khi vật chất biến thành đất. "Khi vật liệu thực vật gần như phân hủy hoàn toàn, tín hiệu cảnh báo có tính axit biến mất và rễ cây ngừng uốn cong".

Để nghiên cứu quá trình này trong điều kiện được kiểm soát, các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống thạch phân tách theo chiều dọc—một đĩa phẳng, thẳng đứng trong đó các môi trường thạch khác nhau tạo ra một gradient hóa học xác định. Khi rễ mọc xuống dọc theo đĩa, các nhà khoa học có thể quan sát xem chúng uốn cong về phía hay ra xa một tín hiệu cụ thể, chẳng hạn như độ axit liên quan đến sự phân hủy.

Friml nói: “Tại ISTA, chúng tôi đã sử dụng các hệ thống tương tự trong nhiều năm để nghiên cứu cách rễ cây phát triển hướng về phía nước”. Một kính hiển vi thẳng đứng chuyên dụng đã được chế tạo tại Viện cho mục đích cụ thể đó. “Giờ đây, cùng một thiết lập đó đã giúp hé lộ phản ứng ngược lại—rễ cây phát triển tránh xa một tín hiệu có khả năng gây hại. Không giống như các phản ứng hướng động khác, yếu tố chính ở đây không phải là hormone thực vật auxin”.

Roots/rễ nhảy theo điệu nhạc ABA

Bên trong rễ, một tín hiệu bên ngoài được chuyển hóa thành quyết định sinh trưởng: Các tế bào trên bề mặt rễ phát hiện ra rằng một bên của rễ tiếp xúc với độ axit mạnh hơn bên kia. Tín hiệu không đồng đều này làm thay đổi sự phân bố hormone thực vật axit abscisic, hay ABA, trên đầu rễ. Kết quả là, khung cấu trúc bên trong của các tế bào rễ được sắp xếp lại, khiến một bên của rễ phát triển khác với bên kia. Sau đó, rễ uốn cong ra xa khỏi phần vật chất thực vật đang phân hủy.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy chất thực vật phân hủy không chỉ là nguồn dinh dưỡng thụ động,” Zhang khẳng định. “Nó tạo ra một môi trường hóa học mà rễ cây có thể nhận biết. Hiện tượng hoại sinh cho thấy cách thực vật diễn giải hoạt động của vi sinh vật trong đất và đưa ra các quyết định sinh trưởng phù hợp”.

Khoa học cơ bản có liên quan đến nông nghiệp và an ninh lương thực

Việc phát hiện ra hiện tượng hoại sinh – một thuật ngữ do các tác giả nghiên cứu đặt ra – mở ra những hướng nghiên cứu mới, chẳng hạn như cách rễ cây hiểu hoạt động của vi sinh vật trong đất. Về lâu dài, việc hiểu rõ hơn về các hành vi của rễ cây có thể giúp định hướng các phương pháp trong nông nghiệp, quản lý đất và khả năng chống chịu của cây trồng.

Giáo sư ISTA Jiří Friml trong phòng thí nghiệm . © Luiza Puiu/FWF.

Zhang giải thích: “Các biện pháp canh tác liên quan đến việc vùi lấp quá nhiều tàn dư cây trồng chưa phân hủy có thể tạo ra các vùng phân hủy lớn vượt quá khả năng thích nghi của rễ, tiềm ẩn nguy cơ làm tăng sự tiếp xúc với vi sinh vật gây hại và thúc đẩy các bệnh về rễ”. Hiểu được cơ sở phân tử của hiện tượng hoại sinh mở ra những cơ hội mới để phát triển các loại cây trồng có khả năng phát hiện và tránh môi trường giàu mầm bệnh tốt hơn. “Trong tương lai, việc lai tạo hoặc thiết kế các giống cây trồng có khả năng ‘tránh phân hủy’ mạnh hơn có thể bổ sung cho các chiến lược kháng bệnh truyền thống bằng cách ngăn chặn sự tiếp xúc giữa rễ và mầm bệnh trước khi nhiễm bệnh xảy ra”, ông kết luận. 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Khoa học và Công nghệ Áo.