Các tín hiệu tổn thương lan truyền trong rễ

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Würzburg đã chứng minh rằng thực vật truyền tin về các tổn thương ở rễ chỉ trong vài mili giây thông qua các tín hiệu cơ học. Sự sụt giảm áp suất thủy lực đóng vai trò như một hệ thống cảnh báo nhanh chóng cho các rễ lân cận.

Khi rễ cây bị tổn thương, một làn sóng chấn động lan truyền nhanh chóng khắp toàn bộ hệ thống rễ. Các protein lân cận phát hiện sự thay đổi này và tạo ra các tín hiệu điện. Những tín hiệu này kích hoạt quá trình tổng hợp các hormone ứng phó với stress. Nguồn: Angel Baudon.

Khi rễ cây bị tổn thương – chẳng hạn như do côn trùng gây ra – áp suất thủy lực trong rễ bị sụt giảm và sóng áp suất này lan truyền với tốc độ cao khắp toàn bộ hệ thống rễ. Tại các rễ lân cận, những loại protein siêu nhỏ đóng vai trò như các cảm biến áp suất cơ học sẽ phát hiện sự thay đổi này và tạo ra các tín hiệu điện cũng như tín hiệu canxi. Cuối cùng, tổn thương kích hoạt quá trình tổng hợp các hormone ứng phó với stress ở những rễ lân cận, khiến chúng chuẩn bị sẵn sàng cho cuộc tấn công sắp xảy ra.

Cách thực vật giao tiếp dưới lòng đất để bảo vệ rễ

Đây là những phát hiện quan trọng của một nghiên cứu mới được công bố gần đây trên tạp chí Science Advances. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã kiểm tra các cơ chế cho phép thực vật phát tín hiệu về sự hư hại của rễ trên một khoảng cách xa trong rễ.

Nghiên cứu được công bố bởi TS. Angel Baudon, Viện Julius von Sachs thuộc Đại học Würzburg (tác giả chính) và Rainer Hedrich, cựu Chủ tịch Thực vật học I tại Đại học Würzburg.

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã khảo sát các con đường truyền tín hiệu ở loài thực vật kiểu mẫu Arabidopsis thaliana (cây cải xoong thale) nhằm phản ứng lại các tổn thương cơ học. Angel Baudon chia sẻ về bối cảnh của công trình nghiên cứu: "Trong khi cơ chế phòng vệ của các bộ phận thực vật phía trên mặt đất đã được nghiên cứu kỹ lưỡng, thì cơ chế truyền tin trong hệ thống rễ cây vẫn là một bí ẩn suốt một thời gian dài". Việc hiểu rõ cơ chế phòng vệ của rễ cây trước các loài gây hại như ấu trùng côn trùng hay tuyến trùng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với nông nghiệp, bởi những tổn thương ngầm thường dẫn đến thiệt hại lớn cho mùa màng

Sự sụt giảm áp suất lan truyền với tốc độ cao

Kết quả chính của nghiên cứu cho thấy thực vật sử dụng các nguyên lý vật lý để truyền tín hiệu cảnh báo nguy hiểm với tốc độ cực nhanh. Theo Baudon, "Ngay khi một tế bào rễ bị tổn thương, áp suất nội bào – vốn rất cao ở thực vật – sẽ sụt giảm tức thì". Sự sụt giảm áp suất này lan truyền dưới dạng sóng thủy lực thông qua hệ thống mạch dẫn của cây. Với tốc độ di chuyển khoảng 75 mm/s, cơ chế truyền tin vật lý này nhanh hơn gấp khoảng 10.000 lần so với sự lan truyền của các sóng canxi đã được ghi nhận trước đây. Lợi thế to lớn về mặt thời gian này cho phép các rễ lân cận – vốn chưa bị tổn thương – có thể kích hoạt sớm các cơ chế phòng vệ

"Chuỗi phản ứng báo động" diễn ra qua nhiều giai đoạn:

•           Các kênh nhạy cảm với tác động cơ học, được gọi là kênh MCA1, đóng vai trò là bộ giải mã sơ cấp. MCA1 chuyển đổi kích thích vật lý từ sóng áp suất cơ học thành các xung điện và tín hiệu canxi.

•           Các thụ thể dạng glutamate (GLR3.3/3.6) đóng vai trò là bộ khuếch đại thiết yếu. Chúng tiếp nhận tín hiệu ban đầu và tăng cường quá trình khử cực.

Theo cách này, thông tin được truyền đến các thành phần khác để khởi động một phản ứng miễn dịch trên diện rộng.

Tín hiệu canxi giúp thực vật chuẩn bị ứng phó với tổn thương lặp lại

Angel Baudon cùng các cộng sự đã có thêm một phát hiện bất ngờ: các đợt tín hiệu canxi lặp đi lặp lại có thể khiến rễ cây tạm thời giảm độ nhạy cảm đối với những tổn thương xảy ra sau đó. Do đó, ngay cả khi cây vẫn nhận biết được tổn thương, phản ứng của nó cũng sẽ bị giảm đi.

Bằng cách sử dụng kỹ thuật quang di truyền (optogenetics) để kích hoạt chính xác tín hiệu canxi trong các tế bào rễ nguyên vẹn mà không gây tổn hại vật lý cho cây, họ nhận thấy rằng những cây tiếp xúc với tín hiệu canxi lặp lại sẽ có phản ứng điện yếu hơn nhiều khi sau đó tiếp xúc với glutamate hoặc bị gây tổn thương. Phản ứng suy giảm này không chỉ được ghi nhận ở phần rễ bị tổn thương mà còn ở cả các rễ lân cận; điều này cho thấy tín hiệu canxi có thể đóng vai trò điều phối cách cây phản ứng với các tổn thương lặp lại hoặc tổn thương xảy ra ở vùng lân cận.

Tìm hiểu cơ chế phòng vệ của rễ cây nhằm mở đường cho nghiên cứu nông nghiệp

Nghiên cứu nhấn mạnh rằng thực vật đã phát triển các cơ chế cảm biến chuyên biệt cho từng bộ phận khác nhau. Trong khi kênh anion MSL10 đóng vai trò chủ chốt ở phần thân trên mặt đất, thì kênh dẫn truyền ion canxi MCA1 lại chiếm ưu thế ở phần rễ. Các đặc tính tín hiệu cũng tuân theo quy luật riêng: "Ở lá, tín hiệu cảnh báo thường lan truyền trên quãng đường dài mà không bị suy giảm đáng kể. Tuy nhiên, ở rễ, cường độ tín hiệu lại giảm theo hàm mũ dựa trên khoảng cách từ vị trí bị tổn thương". Ngoài ra, sự hạn chế về mặt không gian này hoàn toàn hợp lý về mặt sinh học, bởi vì các loài gây hại trong đất di chuyển chậm hơn nhiều so với côn trùng trên bề mặt lá do tính chất nén chặt của đất.

Theo các nhà khoa học, những hiểu biết mới về quá trình xử lý tín hiệu cơ học mang lại các hướng tiếp cận chiến lược cho nghiên cứu nông nghiệp. Việc hiểu rõ hơn về cách cây trồng nhận biết các tổn thương cơ học sẽ cho phép tối ưu hóa một cách có trọng tâm khả năng kháng tự nhiên đối với các loài côn trùng ăn rễ.

Việc xác định MCA1 là thành phần chính giải mã tín hiệu sụt giảm áp suất đã giúp lấp đầy mảnh ghép còn thiếu để giải mã các chiến lược phòng vệ phức tạp của hệ thống cơ quan dưới lòng đất, đồng thời góp phần giảm sự phụ thuộc vào thuốc trừ sâu hóa học lâu dài.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Würzburg.