Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) là những tín hiệu hoặc mùi không khí thiết yếu giúp thực vật tiếp cận với các sinh vật và thực vật khác qua khoảng cách ngắn và dài. Một khía cạnh quan trọng của quá trình tiếp cận này xảy ra khi một cây bị sâu bệnh ăn cỏ phá hoại, kích hoạt việc giải phóng VOC. Các hợp chất này có thể được các cây lân cận phát hiện, thúc đẩy chúng tăng cường khả năng phòng thủ trước các mối đe dọa tiềm tàng. Chiến lược sinh hóa phức tạp này giúp thực vật tự bảo vệ hiệu quả khỏi nhiều loại căng thẳng khác nhau.

Lĩnh vực nghiên cứu này gần đây đã thu hút được sự quan tâm đáng kể do các ứng dụng đầy hứa hẹn của nó trong nông nghiệp. Theo hướng này, Giáo sư Gen-ichiro Arimura và đồng nghiệp của ông là ông Takuya Uemura từ Đại học Khoa học Tokyo, Nhật Bản, đã bắt đầu khám phá các con đường phân tử đằng sau quá trình tiếp xúc này và các ứng dụng tiềm năng của nó trong nông nghiệp bền vững.

Đánh giá của họ, được công bố trực tuyến vào ngày 11 tháng 10 năm 2024 trên Trends in Plant Science, đã làm sáng tỏ những quá trình phức tạp này và ý nghĩa của chúng đối với sự tiến bộ của nông nghiệp. Nghiên cứu đã khám phá cách hiểu được giao tiếp giữa cây với cây có thể dẫn đến các chiến lược cải tiến để bảo vệ cây trồng và cải thiện năng suất, có khả năng cách mạng hóa nền nông nghiệp bền vững.

"Mặc dù thực vật không sở hữu hệ thống khứu giác tinh vi như động vật, nhưng chúng có thể phát hiện và phản ứng với nhiều loại VOC dựa trên sự tương đồng về mặt cấu trúc với các hợp chất mà chúng hoặc tổ tiên của chúng gặp phải trong quá trình tương tác có lợi hoặc có hại với nhiều sinh vật khác nhau", Giáo sư Arimura giải thích.

Cây thải ra nhiều loại VOC khi bị tấn công, chẳng hạn như isoprene, terpenoid và chất dễ bay hơi từ lá xanh. Những hợp chất này từ lâu đã được công nhận vì vai trò của chúng trong việc truyền tín hiệu giữa các loài, thu hút côn trùng có lợi hoặc xua đuổi động vật ăn cỏ. Đáng chú ý, monoterpenoid, có nhiều trong cây bạc hà, đã được thương mại hóa vì đặc tính xua đuổi sâu bệnh, kháng khuẩn và diệt trứng. Nghiên cứu này cho thấy những tương tác giữa cây với cây này không chỉ giới hạn ở những cây có quan hệ họ hàng mà còn có thể xảy ra giữa những cây không có quan hệ họ hàng.

Sau khi phát ra, VOC được hấp thụ qua khí khổng và khuếch tán qua các tế bào trung mô của các cây lân cận. Phản ứng của cây liên quan đến các cơ chế truyền tín hiệu nội bào và liên bào phức tạp. Ví dụ, các luồng canxi đóng vai trò quan trọng trong các chuỗi truyền tín hiệu. Ở các cây tiếp nhận VOC, các hydrocarbon như β-caryophyllene có thể điều chỉnh biểu hiện gen bằng cách tương tác với chromatin, một cấu trúc kiểm soát khả năng tiếp cận DNA. Quá trình này, được gọi là tái cấu trúc chromatin, kích hoạt quá trình phiên mã gen, do đó chuẩn bị cho cây phản ứng phòng vệ tăng cường.

Hiện nay, thuốc trừ sâu hóa học được sử dụng rộng rãi để bảo vệ cây trồng, nhưng tác động có hại đến môi trường của chúng, cùng với nhu cầu ngày càng tăng về năng suất lương thực cao hơn, nhấn mạnh nhu cầu về các giải pháp thay thế an toàn hơn. Việc sử dụng VOC cung cấp một giải pháp bền vững, thúc đẩy cả khả năng bảo vệ và năng suất cây trồng đồng thời giảm sự phụ thuộc vào thuốc trừ sâu và các hóa chất độc hại khác. Ngoài ra, phương pháp mới này sẽ giảm chi phí sản xuất và tăng giá trị sản phẩm, vì phần lớn người tiêu dùng thích 'cây trồng không có thuốc trừ sâu' vì sức khỏe tổng thể của họ.

"Một cách tiếp cận đầy hứa hẹn là kết hợp các loại cây trồng đồng hành như bạc hà trồng trong chậu, bạc hà kẹo và bạc hà tiêu, những loại cây này luôn thải ra các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có lợi. Ngoài ra, việc phát triển các chất kích thích sinh học - các chất thúc đẩy sự phát triển của cây và khả năng chịu đựng căng thẳng - có thể tăng cường hơn nữa sự tương tác giữa các cây trồng", Giáo sư Arimura tuyên bố. Ông cũng nói thêm rằng các sản phẩm thương mại dựa trên những phát hiện mới lạ của họ sẽ sớm có mặt để sử dụng trong nông nghiệp.

Tuy nhiên, việc triển khai thực tế các công nghệ dựa trên VOC trong nông nghiệp phải đối mặt với một số thách thức, chẳng hạn như phản ứng phụ thuộc vào liều lượng, khoảng cách không phù hợp giữa các cây và nồng độ VOC (hóa chất dị hợp) cao, có khả năng ức chế sự phát triển của các cây lân cận.

Tóm lại, bài đánh giá này mở đường cho việc khám phá sâu hơn về VOC trong bối cảnh nông nghiệp, thúc đẩy cộng đồng khoa học hợp tác với nông dân và các nhà hoạch định chính sách để khai thác sức mạnh của giao tiếp thực vật. Bằng cách tận dụng các cơ chế truyền tín hiệu tự nhiên của thực vật, chúng ta có thể phát triển các phương pháp canh tác bền vững không chỉ cải thiện năng suất cây trồng mà còn thúc đẩy sức khỏe môi trường.

Chú thích hình ảnh: Thực vật bị tấn công hoặc bị sâu bệnh phá hoại sẽ giải phóng VOC để báo hiệu cho những cây khỏe mạnh gần đó. Điều này kích hoạt những cây lân cận tăng cường và cải thiện cơ chế phòng vệ của chúng chống lại sâu bệnh và mầm bệnh.

Nguồn: Gen-ichiro Arimura từ TUS, Nhật Bản.
 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Khoa học Tokyo.