Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng Glucose oxidase (GOX), do sâu bướm sừng cà chua tiết ra trên lá, gây ra hiện tượng đóng khí khổng ở cây cà chua trong vòng 5 phút và hiện tượng đóng khí khổng này ở cả cây cà chua và cây đậu tương kéo dài ít nhất 48 giờ. Điều này ngăn không cho cây chủ cảnh báo các cây lân cận về sự hiện diện của động vật gây hại gần đó. Nguồn: PO-AN LIN, PENN STATE.

Giống như một cảnh trong phim kinh dị, sâu bướm sừng tấn công cây cà chua đồng thời làm câm lặng tiếng kêu cứu của cây. Đó là phát hiện của một nhóm các nhà nghiên cứu đa ngành, họ cho biết kết quả có thể mang lại những hiểu biết sâu sắc về khả năng của các loại cây trồng - chẳng hạn như cà chua và đậu tương - để chống lại các tác nhân gây căng thẳng khác, như biến đổi khí hậu.

Gary Felton, giáo sư - trưởng khoa Côn trùng học tại Penn State cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra một chiến lược mới, theo đó côn trùng sử dụng nước bọt để ức chế sự giải phóng các chất bảo vệ thực vật trong không khí thông qua thao tác trực tiếp đối với khí khổng trên lá, là kênh phát ra khí thải phòng thủ của cây và trao đổi khí cacbonic giữa cây và môi trường.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện sâu bướm sừng vừa tấn công vừa làm im lặng tiếng kêu cứu của cây cà chua. Nguồn: PENN STATE.

Cụ thể, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của một loại enzyme đặc biệt Glucose oxidase gọi tắt là GOX (xuất hiện trong nước bọt của sâu bướm ăn cà chua Helicoverpa zea)  đối với khí khổng và khí thải phòng thủ của thực vật, được gọi là chất bay hơi thực vật gây ra bởi côn trùng ăn thực vật (HIPV).

Felton nói “HIPV được cho là có thể giúp bảo vệ thực vật khỏi côn trùng ăn thực vật bằng cách thu hút kẻ thù tự nhiên của những loài ăn thực vật đó và bằng cách cảnh báo các cây lân cận về sự hiện diện của chúng. Do đó, việc đóng khí khổng có khả năng làm thay đổi các tương tác trong toàn bộ quần xã thực vật”.

Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng CRISPR/Cas9, một kỹ thuật chỉnh sửa bộ gen, để tạo ra những con sâu bướm thiếu enzyme GOX. Trong các phòng thủy tinh riêng biệt có gắn bẫy lọc để thu HIPV, họ cho phép những con sâu bướm thiếu chức năng enzyme, cùng với những con sâu bướm chưa được điều khiển, ăn cây cà chua, đậu tương và cây bông trong ba giờ. Để kiểm tra phản ứng của khí khổng với GOX, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra lá cây dưới kính hiển vi và đo kích thước của các lỗ mở khí khổng. Tiếp theo, họ chiết xuất các hợp chất dễ bay hơi từ các bẫy lọc và sử dụng sắc ký khí, kết hợp với khối phổ, để xác định và định lượng các HIPV.

Po-An Lin, một nghiên cứu sinh về côn trùng học tại Penn State và là tác giả chính của bài báo cho biết: “Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên sử dụng phương pháp chỉnh sửa gen qua trung gian CRISPR/Cas9 để tìm hiểu chức năng của một enzym trong nước bọt côn trùng. Sử dụng các phương pháp tiếp cận dược lý, phân tử và sinh lý, chúng tôi có thể chứng minh rằng enzyme trong nước bọt này đóng một vai trò quan trọng trong quá trình đóng khí khổng do côn trùng gây ra và có khả năng giảm một số khí thải phòng thủ quan trọng”.

Thật vậy, nhóm nghiên cứu - bao gồm các chuyên gia về sinh học phân tử, sinh thái hóa học, sinh lý học thực vật và côn trùng học - đã phát hiện ra rằng GOX, do sâu bướm tiết ra trên lá, gây ra hiện tượng đóng khí khổng ở cây cà chua trong vòng 5 phút, hiện tượng đóng khí khổng này sẽ kéo dài ít nhất 48 tiếng ở cả cây cà chua và cây đậu tương. Họ cũng phát hiện GOX ức chế sự phát xạ một số HIPV trong quá trình cho ăn, bao gồm (Z) -3-hexenol, (Z) -jasmone và (Z) -3-hexenyl axetat, là những tín hiệu quan trọng trong không khí trong quá trình phòng vệ của cây trồng. Điều thú vị là họ không tìm thấy tác động của GOX lên cây bông, nhóm nghiên cứu cho biết, tác động của GOX đối với độ dẫn khí khổng là phụ thuộc vào loài.

Kết quả của nhóm được đăng trên tạp chí New Phytologist ngày 18 tháng 1 năm 2021. Po-An Lin lưu ý rằng thực tế là sâu bướm ăn quả cà chua đã phát triển một loại enzyme trong nước bọt có tác dụng ức chế sự phát thải chất bay hơi phòng thủ ở một số loài cho thấy tầm quan trọng của khả năng phòng thủ trong không gian của thực vật trước sự tiến hóa của côn trùng ăn thực vật.

Ông nói: “Với sự phổ biến của HIPV trong thực vật, có khả năng là các đặc điểm ảnh hưởng đến HIPV đã phát triển rộng rãi giữa các loài côn trùng ăn thực vật”.

Những loài côn trùng này không chỉ gây hại cho từng cây mà còn có thể khiến cây trồng giảm khả năng chống chọi với điều kiện môi trường bất lợi.

Felton cho biết: “Khí khổng là cơ quan quan trọng của thực vật không chỉ phát hiện và phản ứng với các tác nhân gây căng thẳng từ môi trường mà còn đóng vai trò trung tâm trong sự phát triển của thực vật. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh nhiệt độ của lá và hàm lượng nước trong lá, phát hiện của chúng tôi cho thấy việc côn trùng kiểm soát việc đóng mở khí khổng có thể tác động đến phản ứng của thực vật đối với nhiệt độ cao và tình trạng thiếu nước”.

Lê Thị Kim Loan theo Penn State.