Tại đại học mizzou, một nhà khoa học đang viết lại cách thức các nhà nghiên cứu tìm hiểu về tình trạng căng thẳng ở thực vật

Thay vì phân tích từng yếu tố riêng lẻ, Ron Mittler nghiên cứu cách các sinh vật phản ứng đồng thời với nhiều tác nhân gây căng thẳng, mở đường cho việc cải thiện khả năng trồng cây và tiềm năng phát triển các phương pháp trị liệu y học tốt hơn.

Ảnh: Abbie Lankitus.

Tại Đại học Missouri, nhà khoa học thực vật Ron Mittler đang viết lại cẩm nang về cách thức các nhà khoa học nghiên cứu sự sống bằng cách đặt câu hỏi điều gì xảy ra khi các sinh vật sống phải đối mặt với nhiều áp lực cùng một lúc.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã nghiên cứu áp lực bằng cách cô lập các yếu tố riêng lẻ - ví dụ, cho cây tiếp xúc với hạn hán trong khi kiểm soát mọi thứ khác. Cách tiếp cận đó đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu được cách các sinh vật phản ứng với những thách thức cụ thể trong môi trường phòng thí nghiệm được kiểm soát.

Nhưng tự nhiên hiếm khi đơn giản như vậy.

Một cây trồng trên cánh đồng ở Missouri có thể phải đối mặt với hạn hán, nắng nóng và ánh nắng mặt trời gay gắt cùng một lúc. Sau đó, nó có thể gặp phải lũ lụt, đất nhiễm mặn và chất ô nhiễm. Những tác nhân gây căng thẳng đó có thể xảy ra ở các cường độ khác nhau, trong các khoảng thời gian khác nhau và trong các sự kết hợp khác nhau.

Đầu năm nay, Mittler đã chứng minh nguyên tắc đó bằng cách cho một cây mẫu tiếp xúc đồng thời với nhiệt độ quá cao, ánh nắng mặt trời và đất nhiễm mặn. Sự sống sót của nó phụ thuộc vào một loại protein có tên là bHLH35. Những cây thiếu protein này đã chết dưới sự kết hợp của ba tác nhân gây căng thẳng, trong khi những cây có thêm bHLH35 vẫn khỏe mạnh hơn.

Điều đáng ngạc nhiên là gì? Loại protein đó không đóng vai trò cứu sống tương tự khi cây trồng phải đối mặt với từng tác nhân gây căng thẳng riêng lẻ. Nó chỉ trở nên quan trọng khi nhiệt độ cao, ánh nắng mặt trời và đất nhiễm mặn cùng tác động một lúc.

Đó là lý do tại sao, trong một bài bình luận được đăng trên tạp chí Nature Reviews Molecular Cell Biology, Mittler và nhóm của ông kêu gọi các nhà nghiên cứu phản ánh tốt hơn sự phức tạp của thế giới thực trong các thí nghiệm của họ.

“Nếu một protein phản ứng với một tác nhân gây căng thẳng nhất định, chẳng hạn như nhiệt độ cao, và một protein khác phản ứng với một tác nhân gây căng thẳng khác, chẳng hạn như ánh nắng mặt trời gay gắt, bạn có thể nghĩ rằng cả hai protein đều được kích hoạt nếu hai tác nhân gây căng thẳng đó cùng tác động lên cây trồng”, Mittler, giáo sư danh dự của Trường Nông nghiệp, Thực phẩm và Tài nguyên thiên nhiên, cho biết. “Nhưng chúng ta đang tìm hiểu rằng sự kết hợp của các tác nhân gây căng thẳng đồng thời có thể kích hoạt một phản ứng sinh học cụ thể mà không xảy ra khi chỉ có một tác nhân gây căng thẳng riêng lẻ. Nói cách khác, phản ứng sinh học đối với A+B có thể khác biệt về cơ bản so với phản ứng đối với A và B riêng lẻ”.

Ý tưởng này cuối cùng có thể có những tác động vượt xa việc trồng trọt ra những loại cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn.

Hiểu được cách các tác nhân gây căng thẳng tương tác với nhau có thể giúp các nhà khoa học nghiên cứu tốt hơn về động vật hoặc hệ sinh thái tiếp xúc với sự kết hợp của ô nhiễm, thuốc trừ sâu, vi nhựa, các tác nhân gây căng thẳng liên quan đến thời tiết và các thay đổi môi trường khác. Điều này cuối cùng có thể cung cấp thông tin cho các chiến lược giúp bảo vệ đa dạng sinh học hoặc giảm thiểu mất môi trường sống.

Mittler cũng nhìn thấy tiềm năng ứng dụng trong y học con người. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng sự kết hợp của các loại thuốc để điều trị một số bệnh nhiễm trùng và ung thư. Hiểu rõ hơn về cách các sự kết hợp khác nhau ảnh hưởng đến tế bào ở cấp độ phân tử cuối cùng có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các phương pháp điều trị hiệu quả hơn đồng thời hạn chế các tác dụng phụ có hại.

“Nghiên cứu trước đây của phòng thí nghiệm chúng tôi đã chỉ ra rằng khi một sinh vật bị tác động đồng thời bởi bốn hoặc năm tác nhân gây căng thẳng, sức khỏe của sinh vật đó bắt đầu suy giảm nghiêm trọng”, Mittler, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Sự sống Bond, cho biết. “Có lẽ chúng ta có thể sử dụng kiến ​​thức đó để có lợi cho mình khi điều trị ung thư hoặc nhiễm trùng do vi khuẩn. Nếu sự kết hợp của hai hoặc ba loại thuốc không hiệu quả, có lẽ sự kết hợp của bốn hoặc năm loại thuốc được dùng ở liều lượng cực nhỏ có thể hiệu quả hơn mà không gây ra tác dụng phụ hoặc gây hại cho các tế bào khỏe mạnh”.

Mặc dù khái niệm nghe có vẻ đơn giản, nhưng việc nghiên cứu nhiều tác nhân gây căng thẳng rất tốn thời gian và chi phí. Việc thêm một tác nhân gây căng thẳng khác vào thí nghiệm sẽ làm tăng số lượng điều kiện mà các nhà nghiên cứu phải phân tích. Việc thêm các cường độ, thời gian và trình tự khác nhau khiến thí nghiệm trở nên phức tạp hơn, nhưng Mittler lập luận rằng điều đó đáng giá vì các điều kiện này mô phỏng môi trường thực tế sát hơn.

Ông hy vọng rằng những tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo và các công cụ phân tích khác sẽ giúp các nhà nghiên cứu hiểu được lượng dữ liệu khổng lồ thu được một cách hiệu quả hơn bao giờ hết.

“Tôi đã nâng cao nhận thức về chủ đề này trong nhiều năm, dù là thông qua việc xuất bản bài báo, thuyết trình tại các hội nghị hay trên mạng xã hội”, Mittler nói. “Ngày càng nhiều nhà nghiên cứu trên khắp thế giới bắt đầu chú ý, và chúng tôi hy vọng đà này sẽ tiếp tục”.

Tại Mizzou, Mittler cho biết sự hợp tác với các nhà khoa học ngoài lĩnh vực của ông, đặc biệt là tại Trung tâm Khoa học Sự sống Bond, đã giúp định hình cách ông suy nghĩ về vấn đề này.

“Những cơ hội hợp tác với các nhà khoa học thực địa tại Mizzou đã cho phép tôi nghiên cứu cây trồng ngay trong môi trường sinh trưởng thực tế của chúng”, Mittler chia sẻ. “Góc nhìn có được từ thực địa đã mang lại những hiểu biết sâu sắc mà có lẽ tôi khó lòng nhận thấy khi chỉ làm việc trong phòng thí nghiệm với tư cách là một nhà sinh học thực vật; điều này cuối cùng giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự phức tạp mà các sinh vật phải đối mặt trong thế giới thực”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Missouri.