Nghiên cứu mới đã làm thay đổi mô hình lâu đời về cách thức thực vật phối hợp phản ứng miễn dịch

Sự biểu hiện của JISS1 (Jasmonate) được kích hoạt toàn thân do nhiễm trùng. Dấu sao màu trắng chỉ lá bị nhiễm. Hình ảnh được tô màu giả theo cường độ tín hiệu, như được chỉ ra bởi các thanh hiệu chuẩn riêng lẻ. (A) Hoạt động luciferase trong cây JISS1:LUC sau khi bị nhiễm DCavrRpm1, DC, DChrpA hoặc giả dược (MgCl2 ₎ ở 4:30 hpi. (B) Động lực không gian theo thời gian của hoạt động luciferase trong cây JISS1:LUC sau khi bị nhiễm DCavrRpm1, bắt đầu từ 3 hpi. Hình ảnh ở 3,20 hpi, 3,50 hpi và 4,30 hpi ghi lại sự lan truyền toàn thân của tín hiệu theo thời gian. (C) Các gen Avr khác nhau thể hiện tính đặc hiệu theo thời gian trong việc kích hoạt JISS1:LUC toàn thân; DCavrRpm1 (4 hpi), DCavrRps4 (13:20 hpi) và DCavrRpt2 (15:20 hpi), so với đối chứng DChrpA. Nguồn: Nature Plants (2026). DOI: 10.1038/s41477-025-02178-4

Theo một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Plants, thực vật huy động hệ thống phòng vệ miễn dịch của chúng sớm hơn nhiều so với những gì các nhà khoa học tin tưởng trong nhiều thập kỷ qua - và thông qua một cơ chế báo hiệu sớm trước đây bị bỏ qua.

Khác với động vật, thực vật bám rễ tại chỗ và không thể huy động các tế bào miễn dịch chuyên biệt hoặc kháng thể, cũng không thể chạy trốn. Thay vào đó, mỗi tế bào phải có khả năng phản ứng lại sự tấn công từ các virus gây bệnh, vi khuẩn, nấm hoặc côn trùng gây hại.

Khi bị tấn công, thực vật nhanh chóng khởi động các phản ứng phòng vệ tại vị trí bị tấn công, nhưng chúng cũng có thể kích hoạt các phản ứng miễn dịch ở các mô xa hơn, chưa bị nhiễm bệnh để bảo vệ phần còn lại của cây, một quá trình được gọi là Khả năng kháng bệnh toàn thân (Systemic Acquired Resistance - SAR).

Trong nhiều thập kỷ, SAR được hiểu là dựa vào phân tử tín hiệu axit salicylic - được hỗ trợ bởi axit N-hydroxypipecolic - để thực hiện và duy trì khả năng bảo vệ miễn dịch lâu dài cho toàn bộ cây. Các phân tử này được tổng hợp sau khi nhiễm bệnh và tích lũy dần trong các mô ở xa không bị nhiễm bệnh.

Nhóm nghiên cứu tại Warwick giờ đây chứng minh rằng trước khi cơ chế phòng vệ tập trung vào axit salicylic này được thiết lập, thực vật đã triển khai một hệ thống giao tiếp nhanh hơn nhiều: một làn sóng tín hiệu miễn dịch phụ thuộc vào jasmonate lan truyền khắp cây chỉ trong vài giờ, khởi phát phản ứng kháng bệnh toàn thân (SAR) rất lâu trước khi các biện pháp cổ điển để xác định SAR được kích hoạt.

"Những gì chúng tôi chứng minh ở đây là khả năng miễn dịch toàn cây được kích hoạt nhanh hơn nhiều so với những gì chúng ta từng nhận ra", giáo sư Murray Grant, Chủ nhiệm Khoa An ninh Lương thực Elizabeth Creak tại Đại học Warwick và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

"Hệ thống SAR dựa trên axit salicylic cổ điển vẫn rất quan trọng, nhưng nghiên cứu của chúng tôi hé lộ một hệ thống cảnh báo sớm mới được vận hành bởi jasmonate - các hormone trước đây được cho là có khả năng ức chế phản ứng miễn dịch dựa trên axit salicylic".

"Trong khi quá trình tích lũy axit salicylic có thể mất hơn 24 giờ, tín hiệu phụ thuộc vào jasmonate xuất hiện trong vòng ba đến bốn giờ sau khi nhiễm bệnh, lan nhanh qua các mô biểu bì và mạch dẫn của cây đến các lá không bị nhiễm bệnh. Đây là một bước ngoặt cơ bản trong hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của hệ miễn dịch thực vật".

Theo dõi sự lan truyền của hệ miễn dịch trong thời gian thực

Để khám phá giai đoạn SAR sớm ẩn giấu này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một chất chỉ thị SAR liên kết jasmonate mới , JISS1:LUC, hoạt động như một công cụ theo dõi phân tử cho sự kích hoạt miễn dịch sớm này. Công cụ này cho phép họ hình dung các tín hiệu miễn dịch di chuyển từ lá bị nhiễm bệnh sang lá không bị nhiễm bệnh trong thời gian thực.

Giai đoạn truyền tín hiệu rất sớm này vẫn còn chưa được biết đến cho đến nay vì hầu hết các phương pháp truyền thống phát hiện phản ứng miễn dịch trong hoặc sau khi hệ thống phòng thủ toàn thân đã được thiết lập đầy đủ, bằng cách đo các dấu ấn phân tử cổ điển hoặc chính SA, rất lâu sau khi các tín hiệu do jasmonate điều khiển này được hình thành.

Kết quả cho thấy cần một chiến lược SAR đa giai đoạn. "Các hợp chất jasmonate gióng lên hồi chuông cảnh báo", tiến sỹ Erin Stroud, Nghiên cứu viên tại Trường Khoa học Sự sống thuộc Đại học Warwick và đồng tác giả chính, giải thích.

"Chúng phối hợp tạo ra một tín hiệu miễn dịch nhanh chóng, linh hoạt, cảnh báo toàn bộ cây rằng sắp có vấn đề xảy ra. Các hợp chất truyền tín hiệu kinh điển như axit salicylic và axit N-hydroxypipecolic sau đó sẽ củng cố và ổn định các cơ chế phòng vệ này để đảm bảo khả năng bảo vệ lâu dài".

Nghiên cứu này cho thấy ngay cả ở những thực vật không thể sản xuất hoặc cảm nhận axit salicylic, làn sóng tín hiệu ban đầu vẫn xảy ra - nhưng phản ứng kháng bệnh toàn thân (SAR) biến mất khi quá trình sinh tổng hợp jasmonate bị gián đoạn. Những thực vật thiếu tín hiệu jasmonate vẫn tạo ra phản ứng miễn dịch cục bộ bình thường đối với nhiễm trùng, nhưng không bảo vệ được lá ở xa, khiến chúng dễ bị nhiễm trùng thứ cấp.

Những khả năng mới trong bảo vệ cây trồng

Thật bất ngờ, nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng tín hiệu jasmonate là cần thiết để hỗ trợ quá trình truyền tín hiệu điện trên toàn cây, tương tự như các tín hiệu trước đây được liên kết với phản ứng khi bị thương và bị động vật ăn cỏ tấn công.

"Những tín hiệu điện này tương tự như những tín hiệu do động vật ăn cỏ tạo ra và đòi hỏi tín hiệu jasmonate hoạt động hiệu quả để cho phép sự truyền thông nhanh chóng ở khoảng cách xa này", tiến sỹ Emily Breeze, trợ lý giáo sư tại Đại học Warwick và đồng tác giả chính cho biết.

"Hệ thống báo cáo JISS1:LUC của chúng tôi là một công cụ tuyệt vời để hình dung sự khởi đầu sớm của phản ứng SAR dựa trên jasmonate trong thời gian thực, chỉ vài giờ sau khi bị tấn công cục bộ. Điều này mang lại cho chúng ta một phương pháp độc đáo để khám phá cách thực vật tích hợp hormone, dòng chảy canxi và tín hiệu điện sinh học để cuối cùng tự bảo vệ mình chống lại các tác nhân xâm lược".

Việc phát hiện ra rằng cả tín hiệu jasmonate và tín hiệu điện đều được tạo ra trong giai đoạn đầu của hệ miễn dịch toàn thân mở ra những khả năng mới cho việc thiết kế cây trồng phản ứng nhanh hơn với nhiễm trùng, hạn chế sự lây lan của bệnh và tổn thất năng suất, đặc biệt trong điều kiện mầm bệnh lây lan nhanh hoặc cây trồng phải đối mặt với nhiều mối đe dọa từ mầm bệnh cùng một lúc.

Giáo sư Grant kết luận: "Công trình này không chỉ định hình lại hiểu biết của chúng ta về hệ thống miễn dịch thực vật, mà việc hiểu rõ các cơ chế tín hiệu SAR phổ biến còn mang lại cho chúng ta một hướng đi độc đáo để thiết kế các chiến lược kỹ thuật sinh học nhằm tạo ra hệ thống phòng vệ cung cấp khả năng kháng bệnh trên diện rộng, thay vì chỉ kháng một loại mầm bệnh cụ thể".

"Cụ thể, việc kích hoạt hệ miễn dịch toàn thân thông qua kích hoạt có điều kiện tín hiệu jasmonate sớm có thể cung cấp một phương pháp mới để giảm thiểu thiệt hại mùa màng do các bệnh nguy hiểm như rỉ sắt, bạc lá và nấm mốc mà không cần sử dụng thuốc trừ sâu hóa học gây hại cho môi trường".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org