Thực vật ưu tiên miễn dịch hơn tăng trưởng trong giai đoạn phục hồi sau hạn hán

Tăng trưởng là quá trình sinh học cơ bản và được ưu tiên hàng đầu ở thực vật, đòi hỏi sự cung cấp đầy đủ ánh sáng, chất dinh dưỡng và nước. Khi một trong ba yếu tố này bị thiếu hụt, chẳng hạn như thiếu nước trong điều kiện hạn hán, quá trình sinh trưởng sẽ bị ngừng lại. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy, khi nước được tái cung cấp, thực vật không lập tức khởi động lại quá trình sinh trưởng, mà chuyển hướng ưu tiên sang kích hoạt hệ thống miễn dịch.

Các nhà sinh học thực vật tại Viện Salk đã sử dụng các kỹ thuật tiên tiến về giải trình tự đơn bào và không gian để nghiên cứu quá trình hồi phục của loài cây mô hình Arabidopsis thaliana sau hạn hán. Kết quả cho thấy, chỉ trong vòng vài phút sau khi được tưới nước, một loạt gen liên quan đến miễn dịch đã được kích hoạt mạnh mẽ trên toàn bộ lá. Phản ứng này được gọi là “miễn dịch cảm ứng phục hồi sau hạn hán” (Drought Recovery-Induced Immunity – DRII). Đáng chú ý, DRII cũng được ghi nhận ở cả cà chua hoang dại và cà chua thuần hóa, cho thấy đây là một cơ chế tiến hóa được bảo tồn và có khả năng hiện diện ở nhiều loài cây trồng khác.

Kết quả nghiên cứu, được công bố trên Nature Communications, mở ra triển vọng ứng dụng trong chọn giống và lai tạo các loài cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn trước biến đổi khí hậu, góp phần bảo đảm an ninh lương thực toàn cầu.

Hình cắt ngang của lá Arabidopsis trong điều kiện hạn hán (trên) và sau 15 phút được tái cấp nước (dưới). Mỗi màu (xanh lam, hồng, xanh lá) biểu thị sự biểu hiện của một gen cảm ứng phục hồi khác nhau (Nguồn: Viện Salk)

Arabidopsis thaliana từ lâu đã là loài thực vật mô hình quan trọng trong nghiên cứu sinh học, nhờ ưu điểm dễ trồng, vòng đời ngắn và hệ gen đơn giản. Đặc biệt, nhiều gen của loài này cũng hiện diện ở các cây trồng chính như cà chua, lúa mì và lúa gạo.

Trong điều kiện thiếu nước, thực vật đóng khí khổng để hạn chế thoát hơi, đồng thời ngừng sinh trưởng nhằm tiết kiệm năng lượng. Khi nước trở lại, khí khổng mở ra để cây hấp thụ, song cũng khiến cây dễ bị xâm nhập bởi mầm bệnh. Việc làm thế nào để thực vật đồng thời khôi phục sinh trưởng và duy trì khả năng tự vệ trong giai đoạn này là một câu hỏi quan trọng mà nghiên cứu đã giải đáp.

Khi tiến hành tái cung cấp nước cho Arabidopsis, nhóm nghiên cứu theo dõi sự thay đổi biểu hiện gen trong giai đoạn từ 15 đến 260 phút sau tưới. Kết quả cho thấy, chỉ sau 15 phút, hàng nghìn gen đã được kích hoạt trở lại, trong đó nổi bật là các gen liên quan đến miễn dịch. Đây là một phản ứng phòng vệ nhanh và phối hợp, giúp cây chống chịu tác nhân gây bệnh trong giai đoạn đặc biệt nhạy cảm khi khí khổng vừa mở.

Phát hiện này cho thấy giai đoạn phục hồi không phải là quá trình thụ động, mà là một quá trình tái lập trình di truyền có chủ đích nhằm ưu tiên phòng vệ trước khi tái khởi động sinh trưởng. Điều này mở ra hướng tiếp cận mới trong việc nghiên cứu tín hiệu phân tử điều hòa phục hồi và khả năng khai thác chúng để tăng cường sức chống chịu cho cây trồng.

Theo Giáo sư Joseph Ecker, tác giả chính của nghiên cứu: “Thay vì tập trung bù đắp tăng trưởng đã mất, Arabidopsis nhanh chóng kích hoạt một phản ứng miễn dịch phối hợp. Điều này nhấn mạnh giai đoạn phục hồi là một quá trình sinh học quan trọng, cần được quan tâm nghiên cứu ngang với giai đoạn hạn hán.”

Nghiên cứu không chỉ mang lại hiểu biết mới về sinh lý học thực vật, mà còn gợi mở chiến lược lai tạo các giống cây trồng có khả năng phục hồi tốt hơn sau stress môi trường, từ đó đóng góp cho mục tiêu phát triển nông nghiệp bền vững.

Nguyễn Thị Kiều Linh - Hcmbiotech, theo phys.org