Cách thực vật chống lại vi khuẩn gây úng nước trên lá

Ảnh này cho thấy các triệu chứng bệnh trên lá cây Arabidopsis thaliana bị nhiễm vi khuẩn gây bệnh Pseudomonas syringae pv. tomato (Pst). Sau khi nhiễm bệnh, cây được giữ trong ba ngày ở điều kiện độ ẩm vừa phải (trái) hoặc độ ẩm cao (phải), cho thấy bệnh nặng hơn ở điều kiện độ ẩm cao. Nguồn: Phó giáo sư Shigetaka Yasuda từ Viện Khoa học và Công nghệ Nara, Nhật Bản.

Nông dân, người làm vườn và các nhà thực vật học đã quan sát thấy rằng bệnh hại cây trồng có xu hướng bùng phát mạnh trong giai đoạn độ ẩm cao, đặc biệt là sau khi trời mưa. Điều kiện ẩm ướt giúp vi khuẩn xâm nhập vào lá cây, và một khi đã ở bên trong, một số loài nhất định sẽ tạo ra một môi trường ngập nước nội bào gọi là hiện tượng "úng nước". Điều này làm suy yếu khả năng phòng vệ của cây và về cơ bản biến lá cây thành một môi trường thuận lợi cho vi khuẩn phát triển. Đóng vai trò then chốt trong quá trình này là hormone axit abscisic (ABA), chất kiểm soát việc thoát hơi nước thông qua các lỗ nhỏ trên lá gọi là lỗ khí khổng.

Hơn một thập kỷ trước, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vi khuẩn có thể thao túng hệ thống ABA của cây chủ bằng cách tiêm các protein tác động vào tế bào, làm tăng lượng ABA và do đó giữ cho khí khổng đóng lại. Tuy nhiên, khía cạnh của cây trong trường hợp này vẫn chưa rõ ràng. Liệu cây có chủ động tự bảo vệ mình khỏi bị úng nước trong điều kiện độ ẩm cao? Làm thế nào chúng cảm nhận được độ ẩm tăng lên và chuyển điều đó thành phản ứng?

Trong một nghiên cứu gần đây, một nhóm nghiên cứu do phó giáo sư Shigetaka Yasuda từ Viện Khoa học và Công nghệ Nara (NAIST), Nhật Bản, dẫn đầu đã đặt ra mục tiêu trả lời những câu hỏi này.

Bài báo của họ, được đăng trên tạp chí Nature Communications, có sự tham gia của giáo sư Yusuke Saijo từ NAIST, tiến sỹ Masanori Okamoto từ RIKEN, Nhật Bản, các phó giáo sư Akihisa Shinozawa và Izumi Yotsui từ Đại học Nông nghiệp Tokyo, Nhật Bản, và giáo sư Masatsugu Toyota từ Đại học Saitama, Nhật Bản.

Khi làm việc với một loài thực vật có tên Arabidopsis thaliana và tác nhân gây bệnh vi khuẩn Pseudomonas syringae, nhóm nghiên cứu đầu tiên phát hiện ra rằng độ ẩm cao nhanh chóng kích thích sản sinh một loại enzyme có tên là CYP707A3, có chức năng phân giải ABA.

Nồng độ ABA thấp hơn khiến khí khổng mở ra, giải phóng nước từ các khoảng trống giữa các tế bào lá nơi vi khuẩn phát triển. Các cây thiếu CYP707A3 dễ bị úng nước hơn đáng kể, điều này khẳng định vai trò bảo vệ của nó.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã lần theo chuỗi tín hiệu này ngược lên phía trước và phát hiện ra rằng độ ẩm tăng cao sẽ kích hoạt sự gia tăng ion canxi trong tế bào lá thông qua các protein kênh có tên là CNGC2, CNGC4 và CNGC9. Quá trình này sau đó sẽ kích hoạt yếu tố phiên mã CAMTA3, một thành phần điều tiết biểu hiện của các gene cụ thể thúc đẩy quá trình sản xuất CYP707A3. Đáng chú ý, việc phá vỡ bất kỳ mắt xích nào trong chuỗi này đều làm suy giảm đáng kể khả năng kháng lại hiện tượng úng nước của cây.

Để hiểu cách vi khuẩn phản ứng, nhóm nghiên cứu đã sử dụng các chủng P. syringae biến đổi gen với các protein tác động khác nhau đã bị loại bỏ. Họ phát hiện ra rằng protein AvrPtoB không chỉ là tác nhân chính ức chế CYP707A3 trong điều kiện độ ẩm cao mà còn là chất điều hòa quá trình sản xuất ABA.

Như cách phó giáo sư Yasuda nhận định: “Thực vật kích hoạt các cơ chế phòng vệ để ngăn chặn sự tích tụ nước, trong khi các tác nhân gây bệnh lại tìm cách chống trả bằng cách chiếm quyền kiểm soát hệ thống giữ nước của chính cây trồng đó”.

Những phát hiện này cho thấy thực vật cảm nhận độ ẩm cao như một tín hiệu cảnh báo và kích hoạt cơ chế phòng vệ phân tử, đồng thời vi khuẩn đã tiến hóa các cơ chế đặc thù để vô hiệu hóa nó.

"Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp những hiểu biết có thể hỗ trợ việc phát triển các chiến lược quản lý bệnh thực vật mới, đặc biệt là trong điều kiện độ ẩm cao, dự kiến ​​sẽ trở nên phổ biến hơn do biến đổi khí hậu", phó giáo sư Yasuda kết luận.

"Việc nghiên cứu xem các cơ chế phòng vệ tương tự có hoạt động ở các loại cây trồng chính, chẳng hạn như lúa, có thể giúp cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về khả năng kháng bệnh và hỗ trợ các phương pháp bảo vệ cây trồng trong tương lai".

Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org