Các nhà nghiên cứu anh phát hiện ra lượng oxit nitric dư thừa ngăn chặn tín hiệu miễn dịch của thực vật

Huazhen Liu đang nghiên cứu để giải thích làm thế nào thực vật có thể mất khả năng nhận biết các dấu hiệu cảnh báo bệnh tật của chính chúng. Nguồn: Pradeep Kachroo.

Một nghiên cứu mới từ Trường Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường Martin-Gatton (CAFE) thuộc Đại học Kentucky giúp giải thích làm thế nào thực vật có thể mất khả năng nhận biết các cảnh báo bệnh tật của chính chúng.

Thực vật không có máu, dây thần kinh hay tế bào miễn dịch như con người, nhưng chúng vẫn có những cách để tự bảo vệ mình. Khi một chiếc lá bị tấn công bởi mầm bệnh, cây có thể phát đi tín hiệu cảnh báo đến các lá và thân cây khác. Điều đó giúp phần còn lại của cây có thời gian chuẩn bị cho một cuộc tấn công.

Nghiên cứu CAFE của Martin-Gatton cho thấy hệ thống cảnh báo đó có thể bị lỗi như thế nào khi một phân tử gọi là oxit nitric tích tụ quá nhiều.

Nghiên cứu có tiêu đề “Nitric oxide dư thừa làm thay đổi độ pH của tế bào để hạn chế sự di chuyển của axit salicylic và hệ miễn dịch toàn thân” đã được công bố trên tạp chí Science Advances.

Nitric oxide (NO) là một phân tử nhỏ được tìm thấy ở cả thực vật và động vật. Ở người, nó giúp giãn mạch máu và đóng vai trò trong hệ thống miễn dịch. Ở thực vật, nó giúp kiểm soát sự phát triển, phản ứng với stress và khả năng kháng bệnh. Nhưng nghiên cứu mới cho thấy thực vật cần lượng NO phù hợp. Quá ít hoặc quá nhiều NO đều có thể làm suy yếu khả năng phòng vệ của thực vật.

Hệ miễn dịch toàn thân giống như trí nhớ của thực vật.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cây Arabidopsis, một loại cây nhỏ thường được sử dụng trong nghiên cứu phòng thí nghiệm. Họ tập trung vào các mẫu vật có đột biến trong gen GSNOR1, một gen được bảo tồn ở cả thực vật và con người. Những cây đột biến này tạo ra lượng NO cao và gặp khó khăn trong việc kích hoạt khả năng kháng bệnh toàn thân (SAR), một phản ứng miễn dịch toàn cây: Khi một phần của cây bị nhiễm bệnh, SAR sẽ giúp cảnh báo phần còn lại của cây chuẩn bị cho một đợt tấn công khác. 

Một chất truyền tin quan trọng trong quá trình đó là axit salicylic, có cấu trúc hóa học tương tự như aspirin. Ở thực vật, nó giúp truyền tín hiệu miễn dịch từ lá bị nhiễm bệnh đến các bộ phận khác của cây. 

“Hệ miễn dịch toàn thân giống như trí nhớ của thực vật”, tiến sỹ Huazhen Liu, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ và là tác giả chính của công trình nghiên cứu, cho biết. “Sau khi một chiếc lá sống sót sau một cuộc tấn công, cây cần phải cảnh báo phần còn lại của cơ thể. Axit salicylic giúp truyền tín hiệu cảnh báo đó”.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nồng độ NO cao làm thay đổi độ pH bên trong và bên ngoài tế bào thực vật.

Ở những cây đột biến, không gian bên ngoài tế bào trở nên quá axit và bên trong tế bào trở nên quá kiềm. Sự thay đổi đó khiến axit salicylic khó di chuyển vào hệ thống vận chuyển của cây hơn.

Liu mô tả vấn đề này như một dạng "ùn tắc giao thông pH".

“Khi nồng độ oxit nitric trở nên quá cao hoặc không đồng đều, chúng sẽ làm thay đổi độ axit xung quanh tế bào”, Liu nói. “Điều đó tạo ra một rào cản đối với axit salicylic. Tín hiệu bị giữ lại và phần còn lại của cây không nhận được cảnh báo”.

Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm xem liệu cây có còn phản ứng được không nếu axit salicylic xâm nhập qua một con đường khác.

Khi axit salicylic được phun lên lá, các cây đột biến vẫn khó phản ứng. Tuy nhiên, khi axit salicylic được đưa vào qua rễ, cây đã phục hồi được tín hiệu miễn dịch và khả năng kháng bệnh toàn thân. Kết quả đó giúp chứng minh rằng hệ thống miễn dịch của cây không bị phá vỡ hoàn toàn. Vấn đề nằm ở cách đưa thuốc. Tín hiệu có thể hoạt động, nhưng nó phải đến đúng vị trí.

Nghiên cứu này có ý nghĩa gì đối với Sức khỏe Toàn diện?

Công trình này liên kết với Sáng kiến ​​Sức khỏe Toàn diện (One Health Initiative) của Vương quốc Anh, một sáng kiến ​​tập hợp các nghiên cứu từ nhiều lĩnh vực khác nhau để hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa sức khỏe của thực vật, động vật, con người và môi trường. 

“Đối với cây trồng, điều này mang đến cho chúng ta một cách suy nghĩ mới về khả năng kháng bệnh”, đồng tác giả Pradeep Kachroo, tiến sỹ, giáo sư tại Khoa Bệnh học Thực vật và là thành viên của Hiệp hội Khoa học Tiến bộ Hoa Kỳ và Hiệp hội Sinh học Thực vật Hoa Kỳ cho biết. “Việc một cây chỉ tạo ra tín hiệu phòng vệ là chưa đủ. Tín hiệu đó cũng phải di chuyển”.

Phát hiện này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách thực vật truyền tín hiệu hóa học trong điều kiện bệnh tật, hạn hán, nắng nóng và các tác động gây căng thẳng khác. Kiến thức đó có thể có ý nghĩa quan trọng đối với nông nghiệp, nơi cây trồng phải đối mặt với áp lực liên tục từ mầm bệnh và điều kiện canh tác thay đổi.

Nó cũng có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu cách thức hoạt động của các hệ thống tín hiệu tương tự giữa các sinh vật sống. Nitric oxide cũng ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển và truyền tín hiệu ở động vật, cho thấy thực vật và con người có thể chia sẻ một số quy tắc cơ bản để truyền các thông điệp hóa học qua mô sống.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Kentucky.