Canxi giúp thực vật tự phòng vệ

Canxi giúp khỏe xương chắc răng và…đảm bảo sức khỏe cho thực vật, theo nghiên cứu mới của Đại học bang Washington.

Các thí nghiệm cho thấy canxi, kết hợp với một protein gọi là calmodulin, khiến thực vật tạo ra axit salicylic (SA) khi bị bệnh lây nhiễm hoặc các hiểm họa khác đe dọa. SA chính là họ hàng gần của aspirin. Ở thực vật, SA hoạt động như một phân tử báo hiệu khởi động một loạt những phản ứng giúp phòng vệ khỏi những đe dọa từ bên ngoài.

Việc thực vật tạo ra axit salicylic đã được biết đến từ hàng trăm năm nay, giáo sư B.W. Poovaiah đồng thời là người chỉ đạo nghiên cứu cho biết, nhưng vai trò của canxi trong việc kích thích thực vật tạo ra SA thì chưa hề được biết đến.

Poovaiah cho biết: “Chúng tôi bắt đầu hiểu rõ cơ chế phân tử liên quan tới việc calcium/calmodulin kích thích sự đề kháng ở thực vật”.

Poovaiah cho biết trong việc kiểm soát nồng độ axit salicylic, canxi hoạt động như một “người giữ cửa” bên trong tế bào thực vật, điều khiển thông tin tới và giúp thực vật phản ứng đối với những nguy hiểm như bệnh dịch. Những thực vật khỏe mạnh thông thường có nồng độ SA thấp trong tế bào. Nồng độ này tăng lên khi thực vật bị yếu tố lây nhiễm hoặc áp lực môi trường đe dọa.

Poovaiah giải thích: “Khi chúng ta cảm thấy nguy hiểm, chúng ta thường cố gắng phòng tránh. Thực vật thì không thể chạy đi đâu nên chúng phải hoạt hóa hệ thống bên trong để tự bảo vệ bản thân. Thực vật phải tạo ra những phân tử tín hiệu khác nhau. Một trong số chúng là axit salicylic”.

Theo tác giả chính, giáo sư Liqun Du, SA tạo ra những phương pháp phòng vệ của thực vật, ví dụ như “phản ứng siêu nhạy cảm”, trong đó các tế bào quanh một vùng bị lây nhiễm chết đi tạo ra một rào cản ngăn mầm bệnh tấn công sâu vào bên trong thực vật. Cơ chế này tạo ra sự bảo vệ đối với những nguy cơ tức thì. SA cũng hoạt hóa khả năng đề kháng của thực vật, dạng miễn dịch bảo vệ thực vật khỏi sự tấn công của mầm bệnh.

Tuy nhiên sự tăng nồng độ SA cũng làm chậm quá trình phát triển của thực vật, có thể là để giữ sức cho trận chiến chống lại mầm bệnh. Điều này tạo ra một tình huống thách thức đối với thực vật – phát triển nhanh hơn hay bảo vệ bản thân tốt hơn – cũng như những người nông dân, những người có thể nhìn nhận SA như một công cụ bảo vệ thực vật khỏi bệnh dịch. Thực vật có nồng độ SA cao sẽ rất an toàn trước lây nhiễm nhưng phát triển chậm. Thực vật tạo ra rất ít hoặc không tạo ra SA sẽ phát triển rất nhanh nhưng lại dễ bị lây nhiễm.

Du cho biết: “Đó là sự cân bằng hợp lý. Quá nhiều không tốt quá ít cũng không tốt”.

Làm việc với cây mù tạc nhỏ Arabidopsis thaliana, nhóm nghiên cứu của Poovaiah cho thấy bước chì khóa trong sự cân bằng này là tương tác giữa canxi/calmodulin và một protein gọi là AtSR1. Protein này có tác dụng kiềm chế sự tạo ra axit salicylic. Những mối đe dọa từ bên ngoài ảnh hưởng đến canxi trong tế bào thực vật, và canxi kết hợp với calmodulin kích thích sự hoạt động của AtSR1 và sự tạo ra SA.

Trong môi trường với ít mầm bệnh, một thực vật có nồng độ SA thấp. Thực vật dỡ bỏ bớt hàng rào phòng vệ và tập trung vào việc phát triển. Nếu nó bị lây nhiễm, nồng độ SA sẽ tăng lên, và thực vật hạn chế sự phát triển để tập trung vào việc phòng vệ.

Vai trò quan trọng của AtSR1 được thể hiện rõ ràng trong thí nghiệm mà thực vật được biến đổi để có nhiều hoặc ít AtSR1 hơn bình thường. Thực vật có nhiều AtSR1 thì hầu như không có SA. Chúng phát triển to hơn và nhanh hơn, nhưng dễ dàng bị lây nhiễm. Những thực vật thiếu gen AtSR1 có nồng độ SA cao và luôn luôn trong trạng thái phòng vệ. Chúng gần như không bị lây nhiễm, nhưng có kích thước nhỏ. Điều tương tự cũng đúng với những thực vật có AtSR1 được biến đổi để không thể kết hợp với canxi/ calmodulin, cho thấy vai trò quan trọng canxi và calmodulin đối với thực vật.

Tham khảo:
1. . Calcium/Calmodulin Regulates Salicylic Acid-mediated Immune Response in Plants through AtSR1/CAMTA3. Nature, Jan 4, 2009 DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature07612