Biến đổi khí hậu làm hỏng hệ thống miễn dịch của cây cỏ. Có thể khởi động lại chúng không?

Khi nói đến cỏ dại, Arabidopsis thaliana là một mẫu vật khá dễ thương. Trong một ngày xuân, bạn có thể thấy nó nảy mầm từ những khe nứt của một bãi đậu xe, phóng ra một đám hoa trắng nhỏ tạo nên cái tên thông thường “mèo tai chuột.” Nhưng lá tròn của nó thường mang theo những hành khách không mời: trong số đó, có một vi khuẩn được gọi là Pseudomonas syringae. Nó ngồi đó tìm cách xâm nhập vào cây cỏ, thường là qua các lỗ khí thuốc mà lá sử dụng để hấp thụ nước và carbon dioxide, hoặc qua một vết thương. Đó là lúc mọi thứ trở nên thú vị.

Thường, cảnh báo đầu tiên về cuộc xâm lược đến từ các receptor thông báo cho tế bào của cây phát hành hệ thống phòng thủ của chúng. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là một loại hormone gọi là axit salicylic (SA). Nó được sử dụng không chỉ bởi arabidopsis, mà còn bởi nhiều loại cây khác, bao gồm cả các loại cây lớn, để chống lại các nhiễm trùng. Nhưng hãy tưởng tượng vào một ngày xuân nóng bức. Một vài ngày sau đợt nóng lên, bạn sẽ thấy lá của cây đang mọc vàng và khô héo. Hệ thống miễn dịch của nó dường như đang thất bại.

Trong phần lớn thập kỷ qua, Sheng-Yang He, một nhà sinh vật học cây cỏ tại Đại học Duke, đã nghiên cứu vì sao hệ thống miễn dịch của cây cỏ thất bại khi nhiệt độ tăng. Đó là một bí ẩn phân tử liên quan đến việc giải mã hàng chục gen để tìm ra lý do tại sao cây cỏ không còn sản xuất được các hóa chất quan trọng, như SA, khi nhiệt độ tăng chỉ vài độ. Đó là loại chức năng bất ổn mà dự kiến sẽ trở nên phổ biến hơn nhiều đối với tất cả các loại cây cỏ khi khí hậu thay đổi và đợt nóng trở nên mạnh mẽ và thường xuyên hơn. Và bây giờ, trong một bài báo được đăng trên Nature, đội ngũ của ông He mô tả cách miễn dịch đó có thể được khôi phục.

Không có một cách duy nhất mà biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng đến thực vật. Trong một số trường hợp, nhiệt độ tăng và mức CO₂ có thể làm tăng quá trình quang hợp, làm cho chúng phát triển nhanh hơn. Trong những trường hợp khác, chúng có thể co rút và chết do căng thẳng quá nhiệt. Địa lý của biến đổi khí hậu cũng sẽ biến đổi lớn, gây ra hạn hán giam hãm ở một số nơi trong khi các hệ sinh thái khác đuối lụy. Nhìn chung, sự thay đổi nhanh chóng không tốt cho các hệ thống sống mà không thể tự nhanh chóng di chuyển đến môi trường sống mới, giống như động vật có thể. Và giống như việc dự kiến nhiều bệnh tật sẽ lan ra người khi phạm vi của côn trùng gây hại và các tác nhân gây bệnh mở rộng trong một thế giới đang trở nên nóng lên, thực vật cũng sẽ đối mặt với sự quấy rối mới hoặc mãnh liệt hơn trong các hệ sinh thái bản địa hoặc đồng cỏ. Tuần trước, một nghiên cứu riêng biệt được các nhà nghiên cứu Đại học Hong Kong cho biết năng suất nông sản toàn cầu có thể giảm 20% vào năm 2050 do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu.

Nhưng một tác động bất ngờ của nhiệt độ là sự thay đổi xảy ra bên trong chính hệ thống miễn dịch của thực vật. Thực vật thiếu những gì được biết đến là miễn dịch thích ứng, như các tế bào có trong động vật có khả năng học từ vi khuẩn mới và sẵn sàng nhảy vào hành động khi họ lại gặp nó. Nhưng chúng có một kho vũ khí đầy đủ các phòng thủ khác nhau. Mỗi phản ứng hóa học, như sản xuất SA, phụ thuộc vào sự hoạt động của nhiều gen chuyển đổi các protein khác nhau. Những bước này hoạt động tốt trong môi trường bình thường của cây, nhưng một sự cố trong quá trình do một yếu tố bên ngoại như nhiệt độ có thể làm trệch hết cả hệ thống. “Chúng ta đang nói về hàng triệu năm tiến hóa,” nói He, người cũng là một nhà điều tra của Viện Y học Howard Hughes. “150 năm qua đã thay đổi mọi thứ đột ngột, và con người chịu trách nhiệm về điều đó.”

Ông lớn lên trong một cộng đồng nông nghiệp ở phía đông Trung Quốc, nơi ông nhớ lại mùi thuốc trừ sâu lay lạng trong không khí trong mùa mùa mạ. Ở trường tiểu học, ông tham gia cùng các em khác trên cánh đồng như là một phần của đội “đội chống sâu bọ” làm đau rụt từ lá bông. Ngày nay trong phòng thí nghiệm, nhiều công việc của ông liên quan đến việc làm chính xác điều ngược lại: tiêm cây cỏ bằng vi khuẩn gây bệnh. Mục tiêu của ông là nghiên cứu các ảnh hưởng của việc điều chỉnh việc biểu hiện của các gen cây cụ thể lên hoặc xuống, tìm kiếm những thay đổi biểu hiện mà tín hiệu vai trò chúng trong hệ thống miễn dịch.

Nhiều công việc này đã được thực hiện trên loại cây arabidopsis chịu đựng được - “chuột thí nghiệm của thực vật,” như He mô tả. Có một số điều làm cho nó trở thành chủ thể kiểm tra hoàn hảo. Một trong những điều đó là gen của loại cỏ khiêm tốn này khá ngắn, một phần là do đó là cây thực vật đầu tiên được giải mã đầy đủ. Một lý do khác là cách đặc biệt mà mã gen của nó có thể được sửa đổi. Đối với hầu hết cây cỏ, quá trình này rất là công phu. Vật liệu gen mới được giới thiệu trong một cái đĩa petri, được chuyển bởi vi khuẩn trơn vào tế bào của cây. Sau khi điều đó xảy ra, những tế bào đã được sửa đổi phải được nuôi cấy và kêu gọi tạo ra rễ và thân mới. Nhưng arabidopsis cung cấp một đường tắt. Người sinh học chỉ cần nhúng hoa của cây vào một dung dịch đầy vi khuẩn mang gen và các thông điệp sẽ được chuyển trực tiếp đến hạt giống, mà có thể đơn giản chỉ cần được trồng. Trong lĩnh vực thực vật học chậm rãi đau đớn, điều đó giống như đang di chuyển ở tốc độ siêu tốc.

Tuy nhiên, mất nhiều năm để hiểu ra tất cả những gen sản xuất SA đó làm gì trong điều kiện nhà kính hoàn hảo. Chỉ sau đó, đội ngũ của He mới bắt đầu can thiệp vào môi trường để kiểm tra những gì sẽ xảy ra khi có sự cố. Nhiệm vụ của họ: tìm một gen (hoặc gen) kiểm soát bước nào đó khiến sản xuất SA bị trì trệ khi nóng lên. Mất 10 năm để tìm ra câu trả lời. Họ sửa đổi từng gen sau gen, nhiễm bệnh cho cây và quan sát tác động. Nhưng bất kỳ điều gì họ làm, cây vẫn héo úa từ căn bệnh. “Bạn sẽ không tin được bao nhiêu thí nghiệm thất bại chúng tôi đã trải qua,” He nói. Các dẫn xuất quan trọng, như xác định gen đáp ứng nhiệt độ của người khác ảnh hưởng đến hoa và tăng trưởng, kết thúc trong sự thất vọng áp đảo. Thế hệ sinh viên sau đó tiếp tục dự án. “Công việc của tôi chủ yếu là làm người cổ vũ cho họ,” ông nói.

Cuối cùng, phòng thí nghiệm đã tìm thấy một người chiến thắng. Gen được gọi là CBP60g, và nó dường như hoạt động như một “bật công tắc chính” cho một số bước liên quan đến việc tạo ra SA. Quá trình chuyển đổi các hướng dẫn gen đó và sản xuất một protein bị ngập chìm bởi một bước phân tử trung gian. Chìa khóa là để bỏ qua nó. Các nhà nghiên cứu có thể làm điều đó, họ phát hiện, bằng cách giới thiệu một đoạn mã mới - một “bộ kích thích” được lấy từ một loại virus - sẽ buộc cây transcribe CBP60g và khôi phục dây chuyền sản xuất SA. Có một lợi ích khác: Thay đổi dường như cũng giúp khôi phục các gen kháng bệnh ít được hiểu biết khác đang bị đàn áp bởi nhiệt độ.

Đội ngũ của ông He sau đó đã bắt đầu kiểm tra sửa đổi gen trên cây lương thực như cây cải dầu, một người anh em gần của arabidopsis. Ngoại trừ sự tương đồng gen, đó là một cây tốt để làm việc, ông nói, vì nó phát triển trong khí hậu mát mẻ nơi cây có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ tăng. Cho đến nay, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc kích thích lại phản ứng miễn dịch trong phòng thí nghiệm, nhưng họ cần phải thực hiện thử nghiệm trên thực địa. Những ứng cử viên tiềm năng khác bao gồm lúa mạch, đậu nành và khoai tây.

Với sự phổ biến của con đường SA, không ngạc nhiên khi biện pháp sửa gen của He sẽ hoạt động rộng rãi trên nhiều loại cây, theo Marc Nishimura, một chuyên gia về miễn dịch thực vật tại Đại học Colorado không tham gia vào nghiên cứu. Nhưng đó chỉ là một trong nhiều con đường miễn dịch nhạy cảm với khí hậu mà các nhà sinh học cần khám phá. Và có biến số khác ngoài làn sóng nhiệt sẽ ảnh hưởng đến miễn dịch cây, ông chỉ ra, chẳng hạn như độ ẩm tăng lên hoặc một cảm giác nhiệt độ kéo dài qua mùa mọc đầy đủ. “Có thể nó không phải là giải pháp hoàn hảo cho mọi loại cây, nhưng nó mang lại cho bạn một ý tưởng tổng quan về điều gì sai lầm và cách bạn có thể sửa chữa nó,” ông nói. Ông coi đó là một chiến thắng cho việc sử dụng khoa học cơ bản để giải mã gen thực vật.

Nhưng để bất kỳ điều gì trong này hoạt động, người tiêu dùng sẽ cần chấp nhận thêm sự can thiệp gen vào thức ăn của họ. Phương án khác, theo Nishimura, là thêm mất mát mùa màng và thêm thuốc trừ sâu để ngăn chặn nó. “Khi biến đổi khí hậu tăng tốc, chúng ta sẽ phải đối mặt với áp lực học những điều trong phòng thí nghiệm và chuyển chúng vào lĩnh vực nhanh hơn,” ông nói. “Tôi không thể thấy làm thế nào chúng ta sẽ làm được điều này mà không có sự chấp nhận nhiều hơn về cây biến đổi gen.”