Các nhà khoa học Nhật Bản lần đầu tiên phát hiện thực vật phát ra tín hiệu cảnh báo khi bị đe dọa
Các nhà khoa học Nhật Bản dường như đang nỗ lực để mở khóa ‘thiền cơ.’ Một cái cây ngã đổ trong rừng, xung quanh không có ai nghe thấy âm thanh của nó, nhưng nó quả thực đã phát ra âm thanh, hay đúng hơn là một loại mùi hương.
Thông qua việc nghiên cứu sâu hơn các phương thức giao tiếp bí mật của thực vật, các nhà nghiên cứu tại Đại học Saitama (Nhật Bản) đã tận mắt chứng kiến tín hiệu “cảnh báo” của thực vật bị căng thẳng và bị thương gửi đến những thực vật xung quanh. Trong vài giây sau khi bị thương, chúng phát ra một làn sương hợp chất mịn vào không khí, báo hiệu cho các cây khác tăng cường khả năng phòng thủ.
Kể từ những năm 1980, các nhà khoa học đã biết đến việc giữa các thực vật có sự tương tác với nhau. Họ gọi loại tương tác này là “thực vật nghe lén” (plant eavesdropping). Thực vật bị con người hoặc động vật ăn cỏ phá hoại (chẳng hạn như côn trùng) sẽ giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) mà các thực vật khác gần đó có thể cảm nhận được. Cây liễu Sitka và cây dương sẽ thể hiện khả năng kháng lại động vật ăn cỏ khi tiếp xúc với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi. Điều tương tự cũng xảy ra với 30 loài thực vật khác, chẳng hạn như đậu lima, thuốc lá, cà chua, cây xô thơm và cây Arabidopsis thaliana.
Cho đến gần đây, những tín hiệu như vậy chưa bao giờ được nhìn thấy trong thời gian thực, tất nhiên nó càng không được ghi lại trong video. Giáo sư Masatsugu Toyota tại Đại học Saitama và nhóm của ông đã dẫn đầu một nghiên cứu. Họ cho cây Arabidopsis (một loại cây họ Cải) tiếp xúc với hai loại VOC là (Z)-3-hexenal và (E)-2-Hexenal, cả hai đều là aldehyde carbon VI. Những aldehyde carbon VI này còn được gọi là chất dễ bay hơi của lá xanh (GLV), có thể tỏa ra mùi cỏ hăng.
Đây không phải là một thí nghiệm trong tự nhiên. Các nhà thí nghiệm cho sâu bướm trong chai gặm lá cắt xuống từ cây cà chua. Sau đó họ kiểm tra hàm lượng khí và bơm lượng khí thu được đến cây nhận, để cây này bị bao phủ trong các hợp chất dễ bay hơi.
Ông Toyoda, nhà sinh vật học phân tử và tác giả chuyên sâu của nghiên cứu, cho biết trong một bài báo được bình duyệt rằng: “Chúng tôi đã chế tạo thiết bị để lấy các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi phát ra từ những cây bị sâu bướm cắn, sau đó bơm lên những cây lân cận không bị hư hại, đồng thời kết hợp thiết bị này với hệ thống chụp ảnh huỳnh quang trong thời gian thực và có phạm vi nhìn thấy rộng.”
“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 (ion calci) cho những cây lân cận không bị hư hại.”
Cây Arabidopsis thaliana được sử dụng trong thí nghiệm đã được biến đổi gene để một số tế bào của nó có chứa cảm biến protein huỳnh quang. Khi cơ chế bảo vệ của cây được kích hoạt do tiếp xúc với các hợp chất dễ bay hơi, cảm biến protein huỳnh quang cho phép các nhà nghiên cứu quan sát gợn sóng huỳnh quang màu xanh lá cây trên các lá của cây này.
Cảm biến huỳnh quang có thể đo lường các phản ứng căng thẳng đã nhận biết. Tín hiệu ion calci không chỉ liên quan đến cảm giác stress ở tế bào thực vật, mà còn liên quan đến cảm giác stress ở người. Giờ đây, những tín hiệu calci mang tính cảnh báo cho các cây thực vật khác đã có thể được mục kích trong thời gian thực.
Các nhà nghiên cứu đã thiết kế các cảm biến protein đặc biệt trong các tế bào bảo vệ, tế bào trung mô và tế bào biểu bì của thực vật. Những cảm biến này cung cấp manh mối về việc tế bào nào sẽ phản ứng trước.
Trên bề mặt của cây, các tế bào bảo vệ là những tế bào hình hạt đậu tạo thành khí khổng. Khí khổng là các lỗ nhỏ bên trong cây mở ra bên ngoài, cho phép cây có thể “hô hấp.” Tế bào trung mô tạo nên mô bên trong của cây, còn tế bào biểu bì giống như tế bào da của thực vật, hình thành mô bên ngoài.
Hai nhà nghiên cứu Yury Aratani và Takuya Uemura đã sử dụng kính hiển vi huỳnh quang và quan sát thấy rằng, trong vòng khoảng một phút sau khi tiếp xúc với tín hiệu nguy hiểm, các tế bào bảo vệ đã phát ra tín hiệu “cảnh báo.” Các tế bào trung mô sau đó cũng đã có phản ứng.
Các thí nghiệm tiếp theo đã phân ly khí khổng của cây và sau đó tiến hành tiền xử lý bằng acid abscisic (một loại hormone thực vật). Việc tiền xử lý này giúp đóng các khí khổng của cây một cách hiệu quả, làm giảm đáng kể việc truyền tải tín hiệu calci.
“Thực vật không có ‘mũi’, nhưng khí khổng là cửa ngõ của thực vật, cho phép GLV nhanh chóng đi vào các khoảng trống trong mô lá,” ông Toyota cho biết.
Sau đó, các nhà thực nghiệm dùng cùng một loại acid abscisic để thực hiện tiền xử lý các cây đột biến. Loại đột biến này làm suy giảm khả năng đóng của khí khổng. Lần này, các cây đã sản sinh ánh sáng xanh lục bình thường. Các “lỗ mũi” của cây đột biến bảo trì trạng thái mở, phát ra tín hiệu cảnh báo mặc dù chúng đã được tiền xử lý bằng hormone thực vật.
Ông Toyota cho biết: “Cuối cùng chúng tôi đã khám phá ra câu chuyện phức tạp về thời gian, địa điểm và cách thức thực vật phản ứng với những ‘cảnh báo’ trong không trung từ những người hàng xóm bị đe dọa.”
“Mạng lưới liên lạc vô hình này ẩn khỏi tầm nhìn của chúng ta. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kịp thời các cây thực vật lân cận khỏi các mối đe dọa sắp xảy ra.”
