Các nhà khoa học đã hình dung ra cách thực vật sử dụng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) để liên lạc khi chúng bị đe dọa. Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng thực vật giải thích các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi này là tín hiệu nguy hiểm, kích hoạt phản ứng phòng vệ. Sử dụng thiết bị tiên tiến và kỹ thuật hình ảnh, họ đã xác định được các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi cụ thể và tế bào nào trong thực vật phản ứng đầu tiên. Nghiên cứu của họ cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế giao tiếp phức tạp của thực vật và khả năng phục hồi của chúng khi đối mặt với thiệt hại tiềm tàng.


Các nhà nghiên cứu đã hình dung ra sự giao tiếp giữa cây với cây thông qua các hợp chất trong không khí và xác định các tín hiệu cụ thể cũng như phản ứng của tế bào kích hoạt khả năng phòng vệ của thực vật trước các mối đe dọa.

Thực vật giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) vào khí quyển khi chúng bị hư hỏng cơ học hoặc bị côn trùng tấn công. Các cây lân cận không bị hư hại sẽ cảm nhận được VOC được giải phóng và hiểu chúng là tín hiệu nguy hiểm, kích hoạt các phản ứng phòng thủ để tránh mối đe dọa đang đến (Hình 1). Sự lan truyền qua không khí của các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi giữa các loài thực vật được ghi nhận lần đầu tiên vào năm 1983 và kể từ đó đã được quan sát thấy ở hơn 30 loài thực vật khác nhau. Tuy nhiên, các cơ chế phân tử từ cảm nhận VOC đến tạo ra sự phòng vệ vẫn chưa rõ ràng.

Hình 1: Thực vật giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi vào khí quyển khi bị côn trùng phá hoại. Các cây lân cận còn nguyên vẹn cảm nhận được VOC và bắt đầu phản ứng phòng vệ trước côn trùng. Nguồn: MasatsuguToyota/Đại học Saitama

Hình ảnh mang tính đột phá về đối thoại thực vật

By Mas Nhóm nghiên cứu do Giáo sư AtsuguToyota (Đại học Saitama, Nhật Bản) dẫn đầu đã thực hiện hình dung theo thời gian thực về giao tiếp giữa cây với cây thông qua VOC và tiết lộ cách thức VOC được thực vật hấp thụ để bắt đầu các phản ứng phòng vệ phụ thuộc vào Ca2+ nhằm chống lại các mối đe dọa trong tương lai.

Nghiên cứu mang tính đột phá này sẽ được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 17 tháng 10 năm 2023. Yuri Aratani và Takuya Uemura lần lượt dẫn đầu công việc với tư cách là nghiên cứu sinh tiến sĩ và nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Toyota, cộng tác với Giáo sư Kenji Matsui của Đại học Yamaguchi ở Nhật Bản.

Video 1: Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng bởi thực vật bị nhiễm côn trùng gây ra tín hiệu Ca2+ (mũi tên). Nguồn: Masatsugu Toyota/Đại học Saitama

Toyota cho biết: "Chúng tôi đã chế tạo một thiết bị để bơm các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi do cây ăn sâu bướm tiết ra lên các cây lân cận không bị hư hại và kết hợp thiết bị này với hệ thống hình ảnh huỳnh quang thời gian thực trên đồng ruộng. Thiết bị cải tiến này cho phép quan sát sự phát huỳnh quang của cây mù tạt Arabidopsis sau khi tiếp xúc với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi do cây bị sâu bệnh tiết ra. 2; Video 1). Nhà máy sản xuất cảm biến protein huỳnh quang cho Ca2+ nội bào, do đó có thể theo dõi sự thay đổi nồng độ Ca2+ nội bào bằng cách quan sát những thay đổi trong huỳnh quang. “Ngoài sự tấn công của côn trùng, các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng từ lá cây bị nghiền nát một cách nhân tạo cũng có thể tạo ra tín hiệu Ca2+ ở các cây lân cận không bị hư hại,” Toyota cho biết (Video 2). 2: Bên trái: Thiết bị được sử dụng để phơi nhiễm cây Arabidopsis thaliana còn nguyên vẹn với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi do thực vật bị nhiễm sâu bệnh tiết ra (mũi tên nét đứt). Phải: Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (mũi tên nét đứt) do thực vật bị nhiễm côn trùng tiết ra tạo ra tín hiệu Ca2+ (mũi tên màu vàng, 600 và 1200 giây). Đại học

Xác định các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi chính và tác dụng của chúng

Để xác định loại VOC nào tạo ra tín hiệu Ca ở thực vật, nhóm các nhà khoa học của Toyota đã nghiên cứu nhiều loại VOC được biết là có tác dụng tạo ra phản ứng bảo vệ thực vật. Họ phát hiện ra rằng (Z)-3-hexenal (Z-3-HAL) và (E)-2-hexenal (E-2-HAL), hai hợp chất hữu cơ dễ bay hơi aldehyde 6 carbon, có thể tạo ra tín hiệu Ca2+ trong cây Arabidopsis (Hình 3; Video 3). Z-3-HAL và E-2-HAL là các hóa chất có mùi cỏ, bay trong không khí được gọi là chất bay hơi lá xanh (GLV) được giải phóng từ các cây bị hư hại do cơ học và động vật ăn cỏ.

Video 2: Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi được giải phóng từ thực vật bị nghiền nát nhân tạo tạo ra tín hiệu Ca2+. Nguồn: MasatsuguToyota/Đại học Saitama

Việc cây Arabidopsis thaliana tiếp xúc với Z-3-HAL và E-2-HAL dẫn đến việc điều hòa lại các gen liên quan đến khả năng phòng vệ. Để hiểu mối quan hệ giữa tín hiệu Ca2+ và phản ứng phòng vệ, họ đã xử lý Arabidopsis thaliana bằng chất ức chế kênh Ca2+ LaCl3 và chất tạo phức Ca2+ EGTA. Những hóa chất này ức chế tín hiệu Ca2+ và sự cảm ứng của các gen liên quan đến khả năng phòng vệ, do đó chứng tỏ rằng cây Arabidopsis có thể cảm nhận được GLV và kích hoạt các phản ứng phòng vệ theo cách phụ thuộc vào Ca2+.

Hình 3: Z-3-HAL trong không khí (đường đứt nét màu cam) tạo ra tín hiệu Ca2+ trong lá cây Arabidopsis (mũi tên màu vàng, 120 giây và 370 giây). Nguồn: MasatsuguToyota/Đại học Saitama

Tế bào bảo vệ: Cổng nhận thức của thực vậtTAG PH14

Họ cũng xác định tế bào cụ thể nào sẽ tạo ra tín hiệu Ca2+ từ GLV bằng cách tạo ra các cây chuyển gen đặc biệt biểu hiện cảm biến protein huỳnh quang trong tế bào bảo vệ, tế bào trung mô hoặc tế bào biểu bì. Sau khi tiếp xúc với Z-3-HAL, các tế bào bảo vệ tạo ra tín hiệu Ca2+ trong khoảng 1 phút, tiếp theo là tế bào trung mô, trong khi tế bào biểu bì tạo ra tín hiệu Ca2+ chậm hơn (Video 4). Tế bào bảo vệ là những tế bào hình hạt đậu trên bề mặt thực vật tạo thành khí khổng, là những lỗ nhỏ kết nối các mô bên trong với khí quyển.

Video 3: Z-3-HAL trong không khí (trong ống bên phải) tạo ra tín hiệu Ca2+ trong lá cây Arabidopsis. Nguồn: Masatsugu Toyota/Đại học Saitama

Toyota cho biết: "Thực vật không có 'mũi', nhưng khí khổng là cổng của thực vật, giúp GLV xâm nhập nhanh chóng vào các khoảng kẽ trong mô lá." Trên thực tế, họ phát hiện ra rằng việc xử lý trước bằng axit abscisic (ABA), một loại hormone thực vật có chức năng đóng khí khổng, đã làm giảm phản ứng Ca2+ của các loại lá dại. Mặt khác, ở những cá thể đột biến bị suy giảm chức năng đóng khí khổng do ABA gây ra, tín hiệu Ca2+ trong lá vẫn bình thường ngay cả khi được xử lý bằng ABA.

Ông nói: "Cuối cùng chúng tôi đã phát hiện ra câu chuyện phức tạp về thời gian, địa điểm và cách thực vật phản ứng với 'thông điệp cảnh báo' trong không khí từ những người hàng xóm bị đe dọa của chúng. Mạng liên lạc này ẩn khỏi tầm nhìn của chúng tôi và đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kịp thời các thực vật lân cận khỏi các mối đe dọa sắp xảy ra." "

Video 4: Z-3-HAL trong không khí tạo ra tín hiệu Ca2+ trong các tế bào bảo vệ (video bên trái), tế bào trung mô (video giữa) và tế bào biểu bì (video bên phải) của lá cây Arabidopsis. Nguồn: MasatsuguToyota/Saitama University

Nghiên cứu đột phá này không chỉ giúp chúng ta hiểu sâu hơn về thế giới tuyệt vời của thực vật mà còn nêu bật những cách phi thường mà thiên nhiên đã ban cho thực vật khả năng phát triển và thích nghi với môi trường của chúng. Ý nghĩa sâu sắc của những khám phá này vượt xa ranh giới của khoa học thực vật, mang đến cái nhìn thoáng qua về tấm thảm phức tạp của sự sống trên Trái đất.