Khả năng giao tiếp của thực vật

Cảnh báo mối nguy hiểm nhờ hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

 

Hai nhà thực vật học bao gồm Harsh Bais tại Đại học Delaware và Connor Sweeney tại Trường C-harter of Wilmington (Mỹ) đã dành hai năm nghiên cứu cách thức thực vật giao tiếp với nhau. Họ phát hiện ra rằng, khi một chiếc lá của cây Arabidopsis thaliana (cỏ dại mù tạc) bị thương, nó sẽ gửi một cảnh báo khẩn cấp đến các cây lân cận để chúng bắt đầu củng cố chế độ phòng thủ. Kết quả nghiên cứu được đăng trên tạp chí Frontiers in Plant Science.

 

“Khi một cây bị thương, nó sẽ cảnh báo cho cây bên cạnh biết về mối nguy hiểm. Cây không thể kêu lên hoặc nhắn tin mà nó dùng tín hiệu giao tiếp là các hóa chất giải phóng vào không khí có nguồn gốc chủ yếu từ lá”, Harsh Bais cho biết.

 

Để tiến hành thí nghiệm, Sweeney đặt hai trong số rất nhiều cây đang nghiên cứu cách nhau vài cm trên cùng một đĩa petri. Sweeney tạo ra hai vết cắt nhỏ trên một chiếc lá của cây Arabidopsis thaliana để bắt chước cuộc tấn công của côn trùng. Sweeney mô tả hiện tượng xảy ra ngay sau đó là “một sự bất ngờ”. Ngày tiếp theo, rễ của cây bên cạnh không bị thương đã phát triển dài hơn và khỏe hơn, với nhiều rễ phụ mọc ra từ gốc chính. “Thật là điên rồ. Lúc đầu tôi không tin điều này xảy ra”, Bais nói.

 

Nhóm nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm nhiều lần trên các đĩa petri khác nhau để loại trừ khả năng cây giao tiếp thông qua hệ thống rễ - một phương pháp trao đổi thông tin liên lạc của thực vật từng được ghi nhận trong một số nghiên cứu khác. “Lý do khiến cây không bị thương mọc nhiều rễ hơn là để tìm kiếm, hút thêm nhiều chất dinh dưỡng nhằm tăng cường khả năng phòng thủ. Vì vậy, chúng tôi bắt đầu tìm kiếm các hợp chất kích hoạt sự phát triển của rễ”, Bais nói.

 

Kết quả cho thấy, cây Arabidopsis thaliana bị thương giải phóng các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) vào trong không khí. Hợp chất VOCs sau phi phát tán ra môi trường xung quanh có thể cảnh báo cho những cây mọc gần đó về mối đe dọa sắp xảy ra, khiến chúng thay đổi chức năng sinh lý để thực hiện mục đích phóng thủ.

 

“Cây bị thương gửi tín hiệu giao tiếp qua không khí. Nó không giải phóng các hóa chất để giúp đỡ bản thân mà để cảnh báo cho những cây hàng xóm ngay bên cạnh”, Bais nói.

 

Theo nhóm nghiên cứu, các loài cây khác nhau truyền tín hiệu qua các hợp chất hóa học khác nhau. Chất hóa học của hai cây càng giống nhau, chúng càng giao tiếp hiệu quả hơn. Một cây sẽ nhạy cảm nhất với tín hiệu phát ra từ chính lá của nó. Vì những chất hóa học này là do di truyền, giống với các nhóm máu ở người, thực vật giao tiếp hiệu quả hơn với “họ hàng” của chúng hơn với các loài cây lạ. Nhưng đôi khi, các loài cây khác có thể được hưởng lợi. Ví dụ, cây cà chua, cây thuốc lá có thể giải mã được tín hiệu của cây ngải đắng.

 

Trao đổi thông tin nhờ mạng lưới sợi nấm

 

Thực vật không chỉ giao tiếp dựa vào những chất hóa học giải phóng vào trong không khí mà còn dựa vào các tín hiệu truyền qua mặt đất thông qua sợi nấm. Các sợi nấm hoạt động như một mạng lưới internet ngầm, giúp liên kết rễ của các loại cây với nhau. Một cây trong vườn nhà bạn có thể liên kết với một bụi cây cách xa vài mét nhờ sợi nấm.

 

Khoảng 90% các loài thực vật sống trên mặt đất có mối quan hệ cùng có lợi với nấm. Albert Bernard Frank - nhà sinh vật học người Đức sống trong thế kỷ 19 - nêu ra khái niệm “hệ rễ nấm”để mô tả mối quan hệ cộng sinh giữa nấm và rễ cây. Trong hệ thống này, thực vật cung cấp cho nấm thức ăn dưới dạng carbohydrate. Đổi lại, nấm giúp cây hút nước và cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết như phốt pho và nitơ thông qua sợi nấm của chúng.

 

Mạng lưới sợi nấm cũng giúp tăng cường hệ thống miễn dịch của cây chủ. Khi một loại nấm có lợi phát triển trong khu vực rễ cây, nó giúp cây tiết ra các hóa chất liên quan đến phòng vệ. Hệ miễn dịch của cây từ đó có phản ứng nhanh, hiệu quả và khả năng kháng bệnh tốt hơn.

 

Hệ thống rễ nấm cũng tạo thành một kênh thông tin liên lạc giữa các rễ cây, những cây ở xa nhau có thể tương tác với nhau, giúp đỡ nhau cùng tồn tại. Năm 1997, nhà nghiên cứu Suzanne Simard tại Đại học British Columbia ở Vancouver (Canada) phát hiện một trong những bằng chứng đầu tiên về vấn đề nói trên. Cô nhận thấy cây linh sam Douglas và cây bạch dương có thể trao đổi carbon giữa chúng thông qua sợi nấm. Một số nhà nghiên cứu khác chỉ ra rằng, các loài thực vật cũng có thể trao đổi nitơ và phốt pho trên cùng mạng lưới này.

 

Theo Simard, các cây trưởng thành có thể giúp đỡ cây nhỏ hơn thông qua mạng lưới sợi nấm. Cây con trong bóng râm nhiều khả năng sẽ không đủ chất dinh dưỡng nếu không nhận được nguồn carbon từ cây trưởng thành “hiến tặng”. Giả sử không có sự giúp đỡ này, nhiều giống cây sẽ không thể tồn tại. “Trên thực tế, nhiều loài cây có khả năng tương tác với nhau, giúp đỡ lẫn nhau cùng tồn tại”, Simard nói.

 

Năm 2010, nhà nghiên cứu Ren Sen Zeng tại Đại học Nông nghiệp miền Nam Trung Quốc phát hiện ra rằng, khi thực vật liên kết với loại nấm gây hại, chúng sẽ giải phóng các hợp chất hóa học đặc biệt vào sợi nấm để cảnh báo cho những cây hàng xóm.

 

Năm 2013, David Johnson và các cộng sự tạiĐại học Aberdeen (Anh) phát hiện cây đậu tằm sử dụng mạng lưới rễ nấm để cảnh báo mối đe dọa sắp xảy ra cho nhau, trong trường hợp này là những con rệp vừng đói. Johnson nhận thấy, cây đậu tằm chưa bị tấn công sẽ kích hoạt hệ thống phòng thủ hóa học chống rệp nhờ kết nối với cây đã bị tấn công.

 

Tuy nhiên, cũng giống như mạng lướiInternet của con người, hệ thống sợi nấm cũng có những “mặt tối”. Một số loài cây ăn cắp thức ăn của nhau thông qua mạng lưới. Ví dụ, cây phong lan ma (phantom orchid) không có chất diệp lục nên không thể tạo ra năng lượng thông qua quá trình quang hợp. Chúng đánh cắp carbon từ những cây gần đó qua sợi nấm mà chúng kết nối với nhau. Cây keo, sugarberries, cây ngô đồng Mỹ và một số loài bạch đàn có thể tiết ra hóa chất độc hại vào hệ rễ nấm, làm hạn chế sự phát triển của những cây xung quanh để cạnh tranh nước và ánh sáng.

 

Nếu bạn nghĩ giao tiếp là sự trao đổi thông tin, thì thực vật có vẻ là những nhà giao tiếp tích cực. Chúng gửi, nhận và đáp lại tín hiệu. Nếu chúng ta có thể học cách nói chuyện bằng ngôn ngữ của thực vật, chúng ta sẽ có một công cụ mới mạnh mẽ để bảo vệ vụ mùa và các loài cây có giá trị.