Các phân tử tăng cường miễn dịch thực vật được xác định

Sản lượng lương thực thế giới phải tăng gấp đôi vào năm 2050 để có thể nuôi sống thêm 2 tỷ người dự kiến ​​trên trái đất vào thời điểm đó. Việc thúc đẩy sản xuất lương thực đòi hỏi phải tăng sản lượng của nhiều loại cây trồng chủ lực. Để làm được như vậy, cần phải có các chiến lược để đảm bảo rằng con người có thể làm cho cây trồng có khả năng chống lại các tác nhân lây nhiễm vi mô tốt hơn, đồng thời đảm bảo rằng sản xuất thực phẩm an toàn với môi trường. Để đạt được điều này, đòi hỏi sự hiểu biết chi tiết về hệ thống miễn dịch của thực vật - hệ thống phòng thủ mà thực vật gắn kết khi đối đầu với các vi sinh vật xâm nhập.

Trong hai nghiên cứu mang tính bước ngoặt, các nhà khoa học dẫn đầu bởi Jijie Chai và Jane Parker từ Viện Max Planck về Nghiên cứu Giống cây trồng ở Cologne và Đại học Cologne, Đức, hợp tác với nhóm của Junbiao Chang tại Đại học Zhengzhou ở Trịnh Châu và Zhifu Han cùng các đồng nghiệp tại Đại học Thanh Hoa ở Bắc Kinh, Trung Quốc, đã xác định được hai lớp phân tử và xác định phương thức hoạt động của chúng trong việc điều hòa các phản ứng miễn dịch bên trong tế bào thực vật. Phát hiện của họ mở đường cho việc thiết kế các phân tử nhỏ có hoạt tính sinh học có thể cho phép các nhà nghiên cứu và người trồng thực vật thao tác và do đó tăng cường sức đề kháng của thực vật chống lại các vi khuẩn có hại.

Ở cấp độ phân tử, một chiến lược miễn dịch chính được thực vật sử dụng liên quan đến các protein được gọi là các thụ thể lặp lại giàu leucine liên kết nucleotide, gọi tắt là NLR. NLR được kích hoạt bởi các vi sinh vật xâm nhập và thiết lập các phản ứng miễn dịch bảo vệ chuyển động. Những phản ứng miễn dịch này lên đến đỉnh điểm trong cái gọi là phản ứng quá mẫn cảm, liên quan đến việc hạn chế sự phát triển của mầm bệnh và thường là các tế bào tại vị trí nhiễm bệnh bị chết.

Một loại protein NLR, những loại có tên gọi là vùng thụ thể interleukin-1 (TIR), được gọi là TIR-NLR (hoặc TNL), đã được chứng minh là chuyển tiếp tín hiệu đến protein miễn dịch nhạy cảm với bệnh 1 (EDS1). Các protein chứa TIR nhỏ hơn cũng cung cấp tín hiệu vào EDS1 để tăng cường khả năng kháng bệnh. EDS1 hoạt động như một trung tâm điều khiển, tùy thuộc vào các loại protein khác mà nó tương tác, thúc đẩy các tế bào thực vật hạn chế sự phát triển của mầm bệnh hoặc gây chết tế bào. Nghiên cứu trước đó cho thấy rằng các thụ thể TNL và các protein TIR thực sự là các enzym gây bệnh. Bằng chứng cho thấy rằng các enzym TIR này tạo ra các sứ giả nhỏ hoặc các tín hiệu truyền tín hiệu tới EDS1 bên trong tế bào. Tuy nhiên, danh tính của các phân tử chính xác được tạo ra bởi TNL hoặc TIR có tác dụng kích thích các phản ứng miễn dịch khác nhau vẫn còn khó nắm bắt.

Parker và các đồng nghiệp đã thiết lập rằng hai mô-đun chức năng EDS1 dẫn đến miễn dịch hoặc chết tế bào có thể được kích hoạt bởi các enzym TNL kích hoạt mầm bệnh bên trong tế bào thực vật. Để xác định các phân tử nhỏ được tạo ra bởi TNL hoặc TIR và hoạt động dựa trên EDS1, nhóm của Chai đã tái tạo các thành phần quan trọng của đường truyền tín hiệu trong tế bào côn trùng, một hệ thống cho phép sản xuất và thanh lọc một lượng lớn các phân tử mà sau đó có thể được phân lập và đặc trưng. Sử dụng cách tiếp cận này, các tác giả đã phát hiện ra hai lớp khác nhau của các phân tử nucleotide biến đổi được tạo ra bởi TNL và TIR. Các hợp chất này được ưu tiên liên kết và kích hoạt các phức phụ EDS1 khác nhau. Do đó, các tác giả chứng minh rằng các tiểu phức hợp EDS1 khác nhau nhận ra các phân tử đặc biệt do TIR tạo ra, có chức năng như các chất hóa học mang thông tin, để thúc đẩy các phản ứng miễn dịch.

Các thụ thể miễn dịch TIR và các protein trung tâm EDS1 tồn tại trong nhiều loài cây trồng quan trọng, chẳng hạn như gạo và lúa mì, và Jijie Chai chỉ ra rằng các phân tử nhỏ được xúc tác bởi TIR có thể được sử dụng làm chất kích thích miễn dịch nói chung và tự nhiên để kiểm soát các bệnh cây trồng. Jane Parker nhận xét thêm rằng, biết được các phương thức hoạt động sinh hóa của các phân tử nhỏ này sẽ mở ra một chương hoàn toàn mới về tín hiệu miễn dịch thực vật và quản lý bệnh.