Làm thế nào mà một hệ thống ‘báo động’ phân tử trong thực vật bảo vệ chúng khỏi những kẻ săn mồi?

Một số thực vật như đậu tương được biết là sở hữu một bộ máy phòng thủ bẩm sinh giúp chúng phát triển sức đề kháng chống lại côn trùng cố gắng ăn chúng. Tuy nhiên, chính xác làm thế nào những thực vật này nhận ra tín hiệu từ côn trùng cho đến nay vẫn chưa được biết. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại Nhật Bản đã phát hiện ra con đường di động giúp các nhà máy này cảm nhận được các tín hiệu nguy hiểm và gợi ra phản ứng, mở ra vô số ứng dụng nông nghiệp.

Trong tự nhiên, mọi loài phải được trang bị một chiến lược để có thể sống sót để đối phó với nguy hiểm. Thực vật cũng vậy, có các hệ thống bẩm sinh được kích hoạt để đối phó với một mối đe dọa cụ thể, chẳng hạn như côn trùng ăn chúng. Một số thực vật cảm nhận được “tín hiệu nguy hiểm có nguồn gốc từ động vật ăn cỏ” (HDS), là những hóa chất đặc biệt trong dịch tiết của côn trùng. Điều này kích hoạt một loạt các sự kiện trong bộ máy phòng thủ của nhà máy, dẫn đến việc nhà máy phát triển “sức đề kháng” đối với (hoặc “miễn dịch” chống lại) kẻ săn mồi. Nhưng bất chấp nhiều thập kỷ nghiên cứu, chính xác làm thế nào thực vật nhận ra những tín hiệu này vẫn còn là một bí ẩn.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên Communications Biology, một nhóm nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo, Đại học Ehime, Đại học Okayama, Đại học Tokyo và Trung tâm nghiên cứu công nghệ sinh học Iwate, do Giáo sư Gen-ichiro Arimura dẫn đầu cố gắng làm sáng tỏ chính xác cách thức hoạt động của các hệ thống HDS thực vật. Họ đã chọn nghiên cứu các protein màng gọi là “kinase giống như thụ thể” (RLKs), được tìm thấy trong lá đậu nành. Họ dựa trên nghiên cứu dựa trên bằng chứng trước đây từ các loài thực vật như Arabidopsis, thuốc lá và đậu đũa, trong đó RLK đóng vai trò chính trong các hệ thống HDS. Giáo sư Arimura nói, “Các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu cơ chế phân tử của tính kháng thực vật trong nhiều năm nhưng “cảm biến” liên quan đến sự nhận biết thực vật của côn trùng gây hại vẫn chưa được biết đến. Vì vậy, chúng tôi muốn tìm hiểu chi tiết về các cơ chế này. “

Để bắt đầu, các nhà khoa học tập trung vào các gen RLK đậu tương có cấu trúc và chức năng tương tự như gen RLK, được biết là gây ra phản ứng nguy hiểm bằng cách nhận ra “oligosacarit” (phân tử carbohydrate nhỏ) trong quá trình tấn công mầm bệnh. Họ đã suy đoán rằng do những điểm tương đồng này, các gen của đậu tương cũng có thể cho thấy một cơ chế tương tự như cơ chế kháng mầm bệnh. Họ đã tìm thấy 15 gen như vậy thông qua phân tích di truyền. Tiếp theo, các nhà khoa học đã tạo ra 15 loại cây Arabidopsis, mỗi loại chỉ biểu hiện duy nhất một trong số 15 gen đậu nành riêng lẻ. Khi họ kiểm tra những cây này bằng cách sử dụng dịch tiết từ dịch hại, họ đã phát hiện ra gen của hai RLK mới cho thấy phản ứng phòng vệ đặc biệt đối với dịch tiết miệng, được gọi là GmHAK1 và GmHAK2. Những phát hiện này là chưa từng có: vai trò của các RLK này trong các hệ thống HDS đậu tương chưa từng được tiết lộ trước đây. Hơn nữa, khi các nhà khoa học tìm hiểu sâu hơn về cơ chế của các yếu tố điều hòa này trong Arabidopsis, họ đã tìm thấy hai protein, tương đồng HAK và PBL27 (đóng vai trò trong tín hiệu nội bào), có liên quan đến con đường này. Theo đó, điều này đã xác nhận những gì các nhà khoa học ban đầu mong đợi đậu tương và Arabidopsis có cơ chế tương tự để “đối phó với nguy hiểm”.

Trong nông nghiệp, điều quan trọng là phải phát triển các chiến lược kiểm soát sâu bệnh trong cây trồng để tránh thiệt hại. Nghiên cứu này thực hiện một bước tiến lớn theo hướng này bằng cách khám phá ra một cơ chế tế bào quan trọng kích hoạt phản ứng phòng thủ ở thực vật. Thao tác hệ thống tế bào bẩm sinh này thậm chí có thể giúp các nhà khoa học thúc đẩy sự phát triển của các sản phẩm nông nghiệp mới, có khả năng làm cho cuộc sống dễ dàng hơn cho nông dân. Giáo sư Arimura kết luận: “Thật khó khăn khi tìm ra các phương pháp kiểm soát dịch hại mới có hiệu quả và không gây hại cho hệ sinh thái theo bất kỳ cách nào. Nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một giải pháp tiềm năng cho vấn đề này bằng cách khám phá chi tiết về cách thức thực vật nhất định phát triển tính kháng.”

Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Khoa học Tokyo . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.

Tạp chí tham khảo :

1. Takuya Uemura, Masakazu Hachisu, Yoshitake Desaki, Ayaka Ito, Ryosuke Hoshino, Yuka Sano, Akira Nozawa, Kadis Mujiono, Ivan Galis, Ayako Yoshida, Keiichirou Nemoto, Shigetoshi Miura ichiro Arimura. Kinase giống như đậu nành và Arabidopsis đáp ứng với các tín hiệu polysacarit từ các loài Spodoptera và kháng trung gian của động vật ăn cỏ . Sinh học Truyền thông , 2020; 3 (1) DOI: 10.1038 / s42003-020-0959-4