Các nhà nghiên cứu đan mạch đâm thủng lý thuyết 100 năm tuổi về “quả bóng nước” kỳ lạ

Cây Quinoa và nhiều loại cây trồng cực kỳ khỏe mạnh khác được bảo phủ bởi những 'bàng quang' kỳ lạ tương tự như quả bóng bay mà trong 127 năm qua người ta tin rằng chúng có nhiệm vụ bảo vệ cây trồng trước hạn hán và muối. Kết quả nghiên cứu của Đại học Copenhagen cho thấy điều này không hẳn như vậy. Những tế bào được gọi là bàng quang này phục vụ một chức năng hoàn toàn khác nhưng quan trọng. Phát hiện này cho thấy ngay cả những cây quinoa có khả năng phục hồi cao hơn hiện nay sẽ có thể được nhân giống, điều này có thể dẫn đến việc trồng rộng rãi loại cây trồng bền vững này trên toàn thế giới.

Các bong bóng, được bao phủ hoàn toàn trên bề mặt của nhiều loại giống cây quinoa, trông giống như những quả bóng bay nhỏ lở lửng trên thân cây.

Nhìn qua kính hiển vi, nó giống như một quả bóng nước. Hoặc một tác phẩm nghệ thuật bằng thủy tinh. Nhưng nó chỉ là cái gọi là tế bào bàng quang. Nếu bạn thắc mắc nó dùng để làm gì thì bạn sẽ không phải là người đầu tiên. Trong 127 năm, ngay cả những bộ óc thông minh nhất trong lĩnh vực sinh học thực vật cũng tin rằng những bong bóng chứa đầy chất lỏng bao phủ lá, hoa mọc thành chùm và thân của nhiều loại cây cứng cáp là thứ gì đó hoàn toàn khác so với hiện tại.

Khám phá này được thực hiện nhờ một nghiên cứu mới của Đại học Copenhagen hoàn toàn trái ngược với mong đợi của các nhà nghiên cứu. Những hiểu biết mới có thể được sử dụng để mở rộng việc trồng trọt một loại cây trồng đặc biệt giàu dinh dưỡng và có khả năng chống chọi với khí hậu.

"Quinoa đã được quảng cáo là loại cây trồng bền vững trong tương lai vì nó giàu protein và có khả năng chịu hạn hán và muối cao, cũng như biến đổi khí hậu. Các nhà khoa học tin rằng bí mật về khả năng chịu đựng của quinoa nằm ở nhiều tế bào bàng quang biểu bì trên bề mặt của hạt". Giáo sư Michael Palmgren từ Khoa Khoa học Thực vật và Môi trường cho biết: “Cho đến nay, người ta cho rằng chúng đóng vai trò như một loại bãi chứa muối và trữ nước. Nhưng thực tế không phải vậy và chúng tôi có bằng chứng thuyết phục về điều đó”.

Tế bào bàng quang nhìn qua kính hiển vi.

Bảo vệ chống lại sâu bệnh

Ba năm trước, một nhóm nghiên cứu do nghiên cứu sinh tiến sỹ Max Moog và người hướng dẫn Michael Palmgren dẫn đầu đã bắt đầu nghiên cứu các tế bào biểu bì bàng quang của cây quinoa theo những cách chưa từng được sử dụng trước đây. Hy vọng là có thể hiểu được cơ chế giúp cây có khả năng chống chọi với muối và hạn hán.

Để đạt được mục tiêu này, các nhà nghiên cứu đã trồng những cây đột biến không có tế bào bàng quang để so sánh phản ứng của chúng với muối và hạn hán với phản ứng của cây quinoa hoang dã được bao phủ bởi tế bào bàng quang.

TẾ BÀO BÀNG QUANG LÀ GÌ?

Tế bào bàng quang biểu bì là những cấu trúc lông chứa đầy chất lỏng trên lá, thân và bề mặt của nhiều loại thực vật. Một số loại cây, bao gồm cả quinoa, thường bị chúng bao phủ hoàn toàn.

Tế bào bàng quang thực chất là một dạng trichomes. Trichomes là những cấu trúc giống như sợi tóc mà hầu hết thực vật đều có. Theo quy luật, trichomes trông hoàn toàn khác và trông giống những sợi lông trên lá cây tầm ma hơn.

Năm 1896, nhà sinh lý học thực vật người Áo Gottlieb Haberlandt đề xuất rằng các tế bào bàng quang đóng vai trò là nơi chứa nước.

Số lượng tế bào bàng quang trên cây được xác định trước. Lá rất non có số lượng tế bào bàng quang bằng lá già, nhưng mật độ trên lá non lớn hơn do kích thước nhỏ hơn. Như vậy, những lá non, vốn hấp dẫn sâu bệnh nhất, sẽ được bảo vệ tốt hơn.

Các tế bào bàng quang được tìm thấy trong các thành viên của họ Rau dền (ví dụ, quinoa và chân ngỗng trắng) và họ Aizoaceae (bao gồm cả cây đá), kết hợp lại, bao gồm khoảng 3840 loài trên toàn thế giới.

Trước sự ngạc nhiên của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện các tế bào bàng quang không có ảnh hưởng tích cực đến khả năng chịu mặn và hạn hán của cây. Ngược lại, chúng dường như làm suy yếu khả năng chịu đựng. Thay vào đó, các tế bào bàng quang đóng vai trò như một rào cản chống lại sâu bệnh.

Max Moog, hiện là nghiên cứu sinh Sau tiến sỹ tại Khoa Khoa học Thực vật và Môi trường và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, được đăng trên tạp chí Current Biology cho biết: "Cho dù chúng tôi đổ nước muối lên những cây đột biến không có tế bào bong bóng hay để chúng tiếp xúc với hạn hán, chúng đều hoạt động rất xuất sắc và trái với mong đợi. Vì vậy, có điều gì đó không ổn. Mặt khác, chúng tôi có thể thấy rằng chúng bị nhiễm côn trùng loại nhỏ rất nặng - không giống như những cây được bao phủ bởi tế bào bàng quang. Đó là lúc tôi nhận ra rằng các tế bào bàng quang hẳn phải có chức năng hoàn toàn khác".

Những chồi mọng nước của cây quinoa được bao phủ bởi những bong bóng nhỏ (trái). Bên phải là một cây đột biến hoàn toàn không có tế bào bàng quang. Mũi tên xanh chỉ bọ trĩ – loài côn trùng nhỏ là loài gây hại nghiêm trọng và chồi đột biến bị tấn công nghiêm trọng hơn.

Khi các nhà nghiên cứu phân tích những gì ẩn bên trong tế bào bàng quang, họ không tìm thấy muối như mong đợi – mặc dù đã bổ sung thêm muối vào cây. Thay vào đó, họ tìm thấy những hợp chất đẩy lùi những kẻ xâm nhập.

Michael Palmgren cho biết: "Chúng tôi phát hiện ra rằng các tế bào bàng quang hoạt động như một rào cản vật lý và hóa học chống lại các loài gây hại háu đói. Khi côn trùng nhỏ và bọ ve bò quanh cây được bao phủ bởi các tế bào bàng quang, chúng chỉ đơn giản là không thể tiếp cận được những chồi xanh mọng nước mà chúng quan tâm nhất, ngay khi chúng cố gắng gặm nhấm các tế bào bàng quang, chúng phát hiện ra rằng chất bên trong gây độc cho chúng”.

Trong số những thứ khác, tế bào bàng quang biểu bì của quinoa có chứa axit oxalic, một hợp chất cũng được tìm thấy trong cây đại hoàng, hoạt động như một chất độc chết người đối với sâu bệnh.

Các thí nghiệm cũng chứng minh rằng các tế bào bàng quang thậm chí còn bảo vệ quinoa chống lại một trong những bệnh vi khuẩn phổ biến nhất ở thực vật, Pseudomonas syringae. Điều này có thể xảy ra do các tế bào bàng quang che phủ một phần khí khổng trên lá cây, một điểm xâm nhập của nhiều vi khuẩn xâm nhập.

Max Moog cho biết: “Giả thuyết của chúng tôi là những tế bào bàng quang này cũng bảo vệ chống lại các bệnh thực vật khác như bệnh sương mai, một loại bệnh nấm làm hạn chế nghiêm trọng năng suất quinoa”.

Chìa khóa cho 'siêu quinoa' có khả năng dung nạp cao hơn

Có hàng ngàn giống cây trồng Nam Mỹ và mật độ tế bào bàng quang trên bề mặt cây thay đổi tùy theo giống. Nhưng có nhiều điều cho thấy rằng mật độ quyết định mức độ hiệu quả của việc bảo vệ bởi các tế bào bàng quang.

"Các giống quinoa có mật độ tế bào bàng quang cao hơn có khả năng chống lại sâu bệnh tốt hơn. Mặt khác, chúng có thể kém khả năng chịu mặn và hạn hán hơn một chút. Và ngược lại, những biến thể này không làm thay đổi thực tế rằng quinoa nói chung có khả năng chịu mặn và hạn hán rất cao. Nhưng lời giải thích phải được tìm thấy ở đâu đó ngoài các tế bào bàng quang", Max Moog nói tiếp: "Do những nỗ lực mở rộng trồng quinoa trên khắp thế giới, kiến thức mới có thể được sử dụng để cây trồng thích ứng với các điều kiện khu vực khác nhau. Ví dụ, Nam Âu có điều kiện rất khô hạn, trong khi sâu bệnh là vấn đề lớn hơn hạn hán ở Bắc Âu. Tại đây ở Bắc Âu, sẽ rất hợp lý nếu tập trung vào các giống quinoa được bao phủ dày đặc bởi các tế bào bàng quang".

Theo Michael Palmgren, các kết quả mới cung cấp một công thức cụ thể về cách nhân giống “siêu quinoa” tương đối dễ dàng:

Michael Palmgren cho biết "Cho đến nay, những tế bào bàng quang này đã bị bỏ qua trong quá trình nhân giống quinoa. Nếu bạn muốn một loại cây trồng có khả năng kháng sâu bệnh tốt hơn nhưng vẫn chịu được mặn và hạn hán, người ta có thể chọn nhân giống các giống có mật độ phủ dày đặc, hiện nay chúng ta có thể có một công cụ cho phép chúng ta lai tạo một cách đơn giản để tạo ra loại 'siêu quinoa' có khả năng chịu đựng cao hơn".

Kết quả nghiên cứu bổ sung thêm một khía cạnh mới cho kiến thức của chúng ta về quinoa. Cho đến nay, rất ít thông tin về cách thực vật tự vệ trước sự tấn công từ các sinh vật thù địch.

"Bây giờ chúng ta đã biết, quinoa không chỉ chịu được các tác nhân gây ức chế phi sinh học như hạn hán và muối mà còn chịu được các ảnh hưởng sinh học như sâu bệnh và vi khuẩn gây bệnh. Đồng thời, chúng tôi đã tìm ra bí mật của những thứ có vẻ ngoài kỳ quặc là các tế bào bàng quang. Nghiên cứu này là một ví dụ về việc những gì được xác lập không phải lúc nào cũng trở thành sự thật”, giáo sư kết luận.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Copenhagen.