Biến đổi khí hậu khiến cây trồng dễ nhiễm bệnh hơn
Sự nóng lên toàn cầu làm suy yếu một số khả năng phòng vệ của thực vật và làm cho thực vật dễ bị nhiễm bệnh hơn. Nghiên cứu mới giúp giải thích lý do tại sao và cách giúp chúng đề kháng. Nguồn: Đại học Bang Michigan.
Giờ đây, các nhà khoa học cho biết họ đã xác định được một loại protein cụ thể trong tế bào thực vật, giải thích tại sao khả năng miễn dịch suy giảm khi thủy ngân tăng lên. Họ cũng đã tìm ra cách để đảo ngược sự mất mát và tăng cường khả năng bảo vệ của cây chống lại cái nóng.
Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature, về một loài cây thân mảnh có hoa màu trắng tên là Arabidopsis thaliana.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã biết rằng nhiệt độ cao hơn bình thường ngăn cản khả năng tạo ra hormone phòng vệ của thực vật gọi là axit salicylic, giúp kích hoạt hệ thống miễn dịch của thực vật và ngăn chặn những kẻ xâm lược trước khi chúng gây ra quá nhiều thiệt hại. Nhưng cơ sở phân tử của sự suy giảm khả năng miễn dịch này vẫn chưa được hiểu rõ.
Vào giữa những năm 2010, Sheng-Yang He và Bethany Huot đã phát hiện ra rằng ngay cả những đợt nắng nóng ngắn ngủi cũng có thể có tác động mạnh đến khả năng phòng thủ hormone ở cây Arabidopsis, khiến chúng dễ bị nhiễm vi khuẩn Pseudomonas syringae hơn.
Thông thường khi mầm bệnh này tấn công, hàm lượng axit salicylic trong lá cây sẽ tăng gấp 7 lần để ngăn vi khuẩn lây lan. Nhưng khi nhiệt độ tăng lên trên 86 độ chỉ trong hai ngày, thực vật không còn có thể tạo ra đủ hormone phòng vệ để ngăn chặn tình trạng nhiễm bệnh.
Ông Sheng-Yang He nói: “Thực vật bị nhiễm bệnh nhiều hơn ở nhiệt độ ấm vì mức độ miễn dịch cơ bản của chúng bị suy giảm. Vì vậy, chúng tôi muốn biết, thực vật cảm nhận nhiệt như thế nào? Và liệu chúng ta có thể thực sự điều chỉnh điều này để làm cho thực vật có khả năng chịu nhiệt không?”.
Cùng thời gian đó, một nhóm nghiên cứu khác đã phát hiện ra rằng các phân tử trong tế bào thực vật được gọi là phytochromes có chức năng như nhiệt kế bên trong, giúp thực vật cảm nhận nhiệt độ ấm hơn vào mùa xuân và kích hoạt sự phát triển và ra hoa.
Vì vậy, He và các đồng nghiệp của mình đã tự hỏi: liệu những phân tử cảm ứng nhiệt này có thể là thứ đánh gục hệ thống miễn dịch khi mọi thứ ấm lên, và là chìa khóa để đưa nó hoạt động trở lại?
Để tìm hiểu, các nhà nghiên cứu đã lấy những cây bình thường và cây đột biến có phytochromes luôn hoạt động bất kể nhiệt độ, cho nhiễm vi khuẩn P. syringae và nuôi chúng ở 73 và 82 độ để xem chúng hoạt động như thế nào. Nhưng các đột biến phytochrome hoạt động giống hệt như các cây bình thường: chúng vẫn không thể tạo ra đủ axit salicylic khi nhiệt độ tăng lên để chống lại tình trạng nhiễm bệnh.
Đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu Danve Castroverde và Jonghum Kim đã dành vài năm để thực hiện các thí nghiệm tương tự với những người nghi ngờ gien khác, và những cây đột biến đó cũng bị bệnh trong thời gian ấm áp. Vì vậy, họ đã thử một chiến lược khác. Sử dụng giải trình tự thế hệ tiếp theo, họ so sánh các chỉ số gien ở cây Arabidopsis bị nhiễm bệnh ở nhiệt độ bình thường và nhiệt độ cao. Hóa ra là nhiều gien bị ức chế ở nhiệt độ cao được quy định bởi cùng một phân tử, một gien có tên là CBP60g.
Gien CBP60g hoạt động giống như một công tắc chủ điều khiển các gien khác, vì vậy bất kỳ thứ gì điều chỉnh giảm hoặc tắt CBP60g có nghĩa là rất nhiều gien khác cũng bị tắt - chúng không tạo ra các protein cho phép tế bào thực vật hình thành axit salicylic.
Các thí nghiệm sâu hơn cho thấy rằng bộ máy tế bào cần thiết để bắt đầu đọc các hướng dẫn di truyền trong gien CBP60g không lắp ráp đúng cách khi nó quá nóng, và đó là lý do tại sao hệ thống miễn dịch của thực vật không thể thực hiện công việc của nó nữa.
Nhóm nghiên cứu đã có thể chỉ ra rằng những cây Arabidopsis đột biến có gien CBP60g liên tục được “bật” có thể giữ cho mức độ hormone phòng vệ của chúng tăng lên và vi khuẩn không bị ảnh hưởng, ngay cả khi chịu áp lực về nhiệt.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tìm ra một cách để thiết kế các cây trồng có khả năng chịu nhiệt chỉ bật công tắc chính CBP60g khi bị tấn công và không làm suy giảm sự phát triển của chúng - điều này rất quan trọng nếu phát hiện sẽ giúp bảo vệ cây trồng mà không ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất cây trồng.
Phát hiện này có thể là tin tốt cho nguồn cung cấp lương thực không đảm bảo do biến đổi khí hậu, He nói.
Sự nóng lên toàn cầu đang làm cho các đợt nắng nóng trở nên tồi tệ hơn, làm suy yếu khả năng phòng thủ tự nhiên của thực vật. Nhưng đã có tới 40% cây lương thực trên toàn thế giới bị mất trắng do sâu bệnh mỗi năm, gây thiệt hại cho nền kinh tế toàn cầu khoảng 300 tỷ đô la.
Đồng thời, sự gia tăng dân số đang thúc đẩy nhu cầu lương thực của thế giới. Để nuôi sống khoảng 10 tỷ người dự kiến trên Trái đất vào năm 2050, các dự báo cho rằng sản lượng lương thực sẽ cần tăng 60%.
Khi nói đến an ninh lương thực trong tương lai, He nói rằng bài kiểm tra thực sự sẽ là liệu chiến lược bảo vệ khả năng miễn dịch ở cây Arabidopsis của họ có hiệu quả với cây trồng hay không.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng nhiệt độ tăng cao không chỉ làm giảm khả năng bảo vệ axit salicylic ở cây Arabidopsis - nó cũng có tác dụng tương tự đối với cây trồng như cà chua, hạt cải dầu và lúa.
Các thí nghiệm tiếp theo để khôi phục hoạt động của gien CBP60g trong hạt cải dầu cho đến nay cũng cho kết quả đầy hứa hẹn tương tự. Trên thực tế, các gien có trình tự ADN tương tự được tìm thấy trên các loài thực vật, He nói.
Ở Arabidopsis, việc giữ cho công tắc chính CPB60g không cảm thấy nhiệt không chỉ phục hồi các gien liên quan đến việc tạo ra axit salicylic mà còn bảo vệ các gien liên quan đến phòng thủ khác chống lại nhiệt độ ấm hơn.
Ông nói: “Chúng tôi có thể làm cho toàn bộ hệ thống miễn dịch của thực vật mạnh mẽ hơn ở nhiệt độ ấm. Nếu điều này cũng đúng với cây trồng thì đó thực sự là một vấn đề lớn bởi vì khi đó chúng ta có một vũ khí rất mạnh”.
Nghiên cứu này là một nỗ lực chung giữa nhóm của He và các đồng nghiệp tại Đại học Yale, Đại học California, Berkeley và Đại học Nông nghiệp Tao Chen Huazhong ở Trung Quốc.
http://iasvn.org/
