Nội dung bài viết
Khi chúng bị ăn, cây đậu tiết ra các chất hóa học thu hút ong bắp cày ký sinh.
Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã hiểu rằng thực vật có thể giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi—về cơ bản là các tín hiệu hóa học trong không khí—để thu hút kẻ thù tự nhiên của những thứ ăn chúng, chẳng hạn như sâu bướm.
Điều chúng ta không biết chính xác là làm thế nào thực vật chuyển hành động vật lý khi bị ăn thịt thành một tín hiệu đau khổ cụ thể để triệu hồi động vật ăn thịt.
Adam Steinbrenner, một nhà sinh vật học tại Đại học Washington, cho biết: “[Một] điều mà chúng tôi không biết là làm cách nào mà cây phát hiện ra sâu bướm ngay từ đầu.
Giờ đây, sau nhiều năm thử nghiệm với các cây đậu thông thường trong phòng thí nghiệm và trên các cánh đồng nông nghiệp ở Oaxaca, Mexico, nhóm của Steinbrenner đã xác định được một thụ thể miễn dịch duy nhất điều phối hệ thống phòng thủ chống sâu bướm của nó.
Khi một loài côn trùng ăn cỏ như sâu bướm ăn cây, nó sẽ tiết nước bọt thẳng vào các mô bị tổn thương của cây. Nước bọt này chứa manh mối sinh học gọi là HAMPs: các mẫu phân tử liên quan đến động vật ăn cỏ.
Một trong những phân tử HAMPs là một peptide có tên là inceptin, và cũng có một đoạn inceptin gồm 11 axit amin có tên là In11. Cả hai đều hóa ra là một đoạn ATP synthase được tìm thấy trong lục lạp—về cơ bản là một phần của một trong những protein của chính thực vật.
Khi sâu bướm ăn lá, các enzyme trong ruột của nó sẽ cắt nhỏ các động cơ tế bào của cây và các mảnh của chúng, bao gồm cả In11, được thải trở lại bề mặt của lá, mặc dù ở nồng độ cực kỳ nhỏ.
Trải qua hàng triệu năm, các loài thực vật như đậu thường đã phát triển một thụ thể chuyên biệt trên bề mặt tế bào gọi là thụ thể inceptin chỉ để phát hiện In11. Khi thụ thể này tương tác với In11, nó sẽ tạo ra một tầng tín hiệu trong tế bào thực vật, bắt đầu các phản ứng miễn dịch.
Tuy nhiên, việc chứng minh rằng thụ thể cụ thể này chịu trách nhiệm phát ra tín hiệu triệu hồi động vật ăn thịt là cực kỳ khó khăn.
Steinbrenner nói: “Chúng tôi rất hào hứng khi làm điều đó, nhưng chúng tôi cần những cây so sánh hoàn hảo, những cây thiếu cơ quan thụ cảm so với những cây có cơ quan thụ cảm nguyên vẹn”.
Vấn đề là các cây đậu thông thường rất khó biến đổi gen, vì vậy các kỹ thuật hiện đại thông thường như làm im lặng gen đã không còn phù hợp nữa. Việc chọn một loại cây dễ sửa đổi hơn cũng là điều không cần bàn cãi.
“Chúng tôi bị giới hạn ở đậu vì thụ thể mà chúng tôi đang nghiên cứu này chỉ hiện diện ở một số loại đậu nhất định. n loài đậu," Steinbrenner giải thích.
Để giải quyết vấn đề này, nhóm của ông đã phải đưa ra những biến đổi mà họ cần theo cách cổ điển—thông qua nhân giống chọn lọc. Bước đầu tiên là tìm ra một cây đậu thông thường có thụ thể In11 bị tắt.
Thứ mà nhóm cần là một đột biến tự nhiên không thể phát hiện ra nước bọt của sâu bướm. Họ đã sàng lọc một nhóm lớn đậu Mesoamerican, tìm kiếm những giống không tạo ra khí ethylene, một chỉ báo căng thẳng thực vật cổ điển, khi tiếp xúc với In11.
Trong số 89, Trong số hai giống được thử nghiệm, họ đã tìm thấy hai giống hoàn toàn bỏ qua peptit. Họ đã chọn một chủng Honduras có tên là W6 13807.
Khi các nhà nghiên cứu giải trình tự bộ gen của loại đậu không nhạy cảm này, họ phát hiện ra rằng nó có hiện tượng xóa cặp 103 bazơ xuất hiện tự nhiên trong gen mã hóa thụ thể inceptin.
Họ phát hiện ra rằng đột biến này đã xóa một đoạn quan trọng của thụ thể, dẫn đến một protein bị cắt cụt, không có chức năng. Để kiểm tra tác động của thụ thể bị rối loạn chức năng này đối với khả năng phòng vệ của cây.
nhóm nghiên cứu bắt đầu nhân giống cây trồng cho thí nghiệm của họ thông qua một loạt các phép lai và lai ngược di truyền giữa biến thể đậu đột biến và biến thể đậu tiêu chuẩn có phản ứng với In11, t.
Họ đã tạo ra những cây anh chị em gần như giống hệt nhau về mặt di truyền ngoại trừ sự hiện diện hay vắng mặt của thụ thể inceptin chức năng. Steinbrenner nhớ lại: “Chúng tôi chỉ là nhà lai tạo và điều đó đã mất vài năm”.
Khi hai anh em này được đặt cạnh nhau trong phòng thí nghiệm và ngoài đồng, hóa ra hậu quả của việc hỏng báo động inceptin là khá nghiêm trọng đối với cây đậu.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra khả năng phòng vệ trực tiếp – những thay đổi hóa học và vật lý mà cây trải qua để làm cho lá của nó kém ngon miệng hơn đối với sâu bướm và do đó cản trở sự phát triển của chúng.
Tuy nhiên, khi sâu bướm ăn những hạt đậu đột biến có thụ thể inceptin không hoạt động, chúng đã có một ngày thực địa. Trong thời gian cho ăn 5 ngày, tốc độ tăng trưởng của chúng cao hơn 70% so với những cây có thụ thể chức năng.
Phân tích chi tiết hơn đã tiết lộ chính xác lý do tại sao lại như vậy. Ở những thực vật có thể phát hiện peptide In11, một con sâu bướm kiếm ăn đã kích hoạt sự điều chỉnh tăng nhanh của 527 gen, bao gồm cả những gen chịu trách nhiệm phòng vệ chống lại động vật ăn cỏ.
Những cây không biết đến In11 trong vùng sâu bướm đã không đạt được phản ứng mục tiêu này. Thay vào đó, họ phản ứng như thể họ chỉ bị thương do gió hoặc do động vật đi ngang qua.
Nếu không có cơ quan thụ cảm, họ hoàn toàn không biết rằng có một loài côn trùng sống, đói khát đang tích cực ăn thịt họ. Một hậu quả khác đối với những hạt đậu không nhạy cảm của In11 là chúng không thể triệu hồi những con ong bắp cày săn mồi.
Khi một cây đậu bình thường phát hiện ra In11, nó bắt đầu tổng hợp và phát ra một hỗn hợp đặc trưng cao của các hóa chất hữu cơ dễ bay hơi.
Đối với ong bắp cày săn mồi, sự pha trộn mùi hương này không chỉ báo hiệu “một cái cây bị hư hại” mà cụ thể là “một con sâu bướm đang tích cực kiếm ăn ở đây ngay lúc này”.
Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy thực vật không có thụ thể inceptin hoạt động không thể phát ra hỗn hợp dễ bay hơi này khi tiếp xúc với peptide In11 tổng hợp hoặc chất tiết thực tế qua đường miệng của sâu bướm.
Để xem việc thiếu tín hiệu hóa học này quan trọng như thế nào trong tự nhiên, các nhà nghiên cứu đã đóng gói các dòng đậu anh chị em của họ và hướng đến một cánh đồng nông nghiệp thử nghiệm ở Oaxaca, Mexico.
Ở đó, họ đặt các cặp cây đậu – một cây có thụ thể hoạt động và một cây không có thụ thể đó – ở ngoài trời. Họ xử lý cây bằng nước, dịch tiết từ miệng của sâu bướm hoặc In11.
Sau đó, họ gắn những con sâu canh gác còn sống vào những chiếc lá và ngồi lại để xem điều gì xảy ra. d.
Hóa ra ong bắp cày săn mồi địa phương hoạt động tích cực trên thực địa nhưng chúng không tìm kiếm ngẫu nhiên. Được thúc đẩy bởi các tín hiệu hóa học trong không khí, ong bắp cày nhắm mục tiêu không tương xứng vào những cây có chức năng thụ thể inceptin.
Những cây được xử lý bằng In11, hay còn gọi là sâu bướm, đang gửi tín hiệu báo nguy về hóa chất vào gió, và những con ong bắp cày sẽ lao vào tấn công và loại bỏ những con sâu bướm để đáp lại tiếng gọi.
Đồng thời, những cây không thể phát hiện được dấu hiệu phân tử trong nước dãi của sâu bướm phần lớn bị ong bắp cày bỏ qua. Tuy nhiên, họ không hoàn toàn không có khả năng tự vệ.
Steinbrenner nói: “Có những bài báo khác cho thấy nếu bạn loại bỏ tất cả tín hiệu miễn dịch, thì sâu bướm sẽ lớn gấp đôi, chúng sẽ trở nên khổng lồ”. Ông gợi ý rằng điều này cho thấy hệ thống miễn dịch có những con đường khác để ngăn chặn động vật ăn cỏ như sâu bướm.
Trong khi nhóm nghiên cứu kết nối thụ thể inceptin bị hỏng với một cuộc gọi đau khổ bị tắt tiếng, thì con đường truyền tín hiệu miễn dịch xuôi dòng chính xác vẫn chưa được hiểu đầy đủ.
Các tác giả nghi ngờ rằng việc phát hiện sâu bướm có tính đặc hiệu cao mà họ đã nhìn thấy ảnh hưởng đến phản ứng vết thương chung của nhà máy, có khả năng gây ra các cảnh báo nội bộ thứ cấp. được gọi là các mẫu phân tử liên quan đến thiệt hại, hay DAMP.
Chính xác thì việc kích hoạt thụ thể ban đầu cuối cùng chuyển thành việc sản xuất các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi như thế nào vẫn còn là một câu đố.
Gợi ý thực hành:
1. Theo dõi thông báo từ cơ quan địa phương tại California.
2. Kiểm tra nguồn chính thức trước khi chia sẻ lại thông tin.