Cây phản ứng lại với muối giống con người phản ứng với đau đớn

Những mùa đông băng giá và những mùa hè khô cằn đang tạo ra đất bị mặn. Tại một số khu vực, khô cằn gia tăng làm tập trung muối trong đất một cách tự nhiên, trong khi tại một số khu vực khác, nước biển tăng đã làm nước ngầm bị nhiễm mặn. Một nghiên cứu mới đã phát hiện thấy, các loài thực vật đang tạo ra một ngọn sóng canxi để có thể sống sót trong đất ngày càng mặn hơn, đất nhiễm mặn đã trở thành một vấn đề trên toàn cầu.

Loài người đã làm tăng độ mặn của đất đai khi sử dụng đất và nước làm thay đổi mực nước ngầm, biến đổi khí hậu do con người gây ra đã làm thay đổi lượng mưa và các mô hình nhiệt độ không khí. Trong khi có vẻ như khác thường, nhưng thậm chí cả hoạt động thủy lợi cũng làm tăng độ mặn của đất. Tất cả các loại nước tưới vào đất đều có chứa ít nhiều muối. Khi các cây trồng không thể hấp thụ muối, sự bay hơi sẽ làm mất nước và cây trồng không thể sử dụng muối còn sót lại, do vậy muối sẽ tích lũy trong đất theo thời gian.

Những chiếc rễ cây không phải sinh ra để di chuyển được

Trong những mùa đông băng giá, muối được ném ra mặt đất với số lượng ngày càng tăng để chống đóng băng và tuyết. Qua hơn 50 năm việc sử dụng muối trên các con đường và các lối đi đã tăng lên đáng kể: Trong năm 1960, có khoảng 3 triệu tấn muối được rải ra trên khắp các đường phố ở Bắc Mỹ; ngày nay, con số này là 20 triệu tấn.

Đến mùa xuân, nước mưa chảy tràn kéo theo muối từ các đường phố chảy vào các khu vực đất xung quanh và vào nước ngầm. Các tác động tích lũy của việc sử dụng muối đối với đường phố và các lối đi là đáng kể. Tại một số lưu vực sông nước ngọt, các nhà khoa học đã quan sát thấy nồng độ muối tăng 100% và 250%. Và nồng độ vẫn tiếp tục tăng hàng năm.

Điều này gây ra một nấn đề quan trọng khi muối, nói chung, là độc cho thực vật – như nhiều học sinh trung học sẽ có kết luận chứng minh trong các thí nghiệm tại lớp học, và“làm mặn đất” là một thủ đoạn đã được quân đội chiến thắng dùng để trừng phạt kẻ thù của họ, và làm việc tái định cư trên vùng đất đã bị rắc muối trở nên khó khăn hơn.

Cắm rễ ở một chỗ, các loại thực vật không thể tránh khỏi những ảnh hưởng độc hại của muối, vì vậy, độ mặn tăng cao là một nguy cơ đe dọa nghiêm trọng với cả các loại cây trồng cũng như sự an toàn của toàn bộ hệ sinh thái.

Nghiên cứu gần đây của Won-Gyu Choi và các đồng nghiệp của ông trong phòng thí nghiệm của Simon Gilroy tại trường đại học Wisconsin, đã phát hiện thấy canxi đóng vai trò là nguyên tố quan trọng trong phản ứng ban đầu của cây cối với muối. Khi thực vật thấy muối, chúng đáp trả bằng việc tạo ra một “làn sóng canxi”, là một sự tập trung nồng độ cao các ion canxi xuất phát từ điểm phát hiện muối, lan rộng trong toàn bộ cây. Sóng này được tạo ra bởi việc giải phóng canxi mà các cây trồng cất trữ trong các tế bào của chúng.

Các tác giả của nghiên cứu này đã sử dụng một hệ thống mới lạ để quan sát những thay đổi của canxi trong các tế bào thực vật, bằng cách làm các thực vật có thể tạo ra một loạiprotein phát huỳnh quang theo nồng độ canxi.

Khi họ cho rễ cây tiếp xúc với nhiều kích thích gồm có giá lạnh, va chạm hoặc stress, thực vật thường đáp trả với nồng độ canxi tăng tại điểm xảy ra. Khi các rễ cảm thấy muối, nồng độ canxi tại điểm tiếp xúc tăng, tiếp đó tại các tế bào lân cận xảy ra một làn sóng canxi tiếp tục di chuyển giữa 2 tế bào trên mỗi giây xuyên suốt cả thân cây. Làn sóng canxi di chuyển từ các rễ theo mọi hướng tới các đầu mút của cành và lá nằm phía trên mặt đất trong vòng 2 phút.

Khi các cành cây nhận được tín hiệu, chúng sẽ điều chỉnh hoạt động hiện tại đang diễn ra. Sự thật là, chúng tăng những gì được mô tả giống như một phản ứng tự vệ. Sau khi nhận được thông báo nhờ làn sóng canxi, mô thực vật sẽ định hình lại các chức năng tế bào của chúng – sản xuất các phân tử mới giúp thực vật chiến đấu với muối, bằng cách điều chỉnh cân bằng nước trong cây, và tạo ra rào cản chống sự xâm lấn của muối của các mô thực vật. Các tác giả đã khẳng định được chính làn sóng canxi đã tạo ra phản ứng này bằng cách sử dụng hóa chất ức chế đường truyền của canxi.

Won-Gyu Choi và các đồng nghiệp đã phỏng đoán rằng canxi được giải phóng từ một khoang trong tế bào, lưu trữ cho mục đích này. Điều này yêu cầu hoạt động của các protein đặc biệt, các protein này tạo thành một lỗ chân lông (protein lỗ – pore protein), lỗ này mở ra để giải phóng canxi từ khoang nói trên.

Kiểm tra nơi mà các pore protein này không thực hiện chức năng, các nhà khoa học đã phát hiện thấy sóng canxi không còn lan đi trong cây một cách chính xác. Thiếu đi khả năng tạo ra truyền dẫn sóng canxi nói trên, các nhà khoa học phát hiện thấy thực vật đã không thể trang bị được sức kháng cự chống lại muối. Khi có mặt muối, các thực vật này cũng thể hiện sự tăng trưởng kém hơn với các cây bình thường.

Won-Gyu Choi và các đồng nghiệp đã phát hiện một cơ chế quan trọng được thực vật sử dụng để đối phó với đất nhiễm mặn. Làn sóng canxi mà thực vật tạo ra trong rễ của chúng nhằm thông báo cho phần còn lại của cây rằng thời kỳ mặn đang ở phía trước, điều này đúng như hệ thống thần kinh của chúng ta.

Ở con người, canxi cũng được sử dụng làm tín hiệu lan truyền từ một tế bào thần kinh tới các tế bào khác khi chúng ta trải qua stress, ví dụ như khi trải qua đau đớn. Khi bạn có muối trong một vết thương, các tín hiệu não bạn nhận được cũng từ một sóng canxi truyền tới, giống như các tế bào thần kinh kích hoạt gây tác động nên tế bào thần kinh khác trong một phản ứng dây chuyền mang thông tin từ các thần kinh ngoại biên đến não trong thời gian chưa đầy một giây.

Tương tự như thế, thực vật đang sử dụng một hệ thống tương tự để truyền tải thông tin về tình trạng ức chế do muối gây ra, nhưng thay vì tín hiệu này được truyền đến một não bộ tập trung, thực vật thông báo cho tất cả các tế bào trên toàn cơ thể của chúng.

Hy vọng rằng trong tương lai, chúng ta có thể sử dụng thông tin này để giúp thực vật giảm bớt các stress gây ra bởi các loại đất bị nhiễm mặn và đối mặt tốt hơn với môi trường nhiễm mặn – chừng nào chúng ta còn định ăn thực vật, hoặc các động vật còn được nuôi bởi thực vật, chúng ta sẽ cần phải giúp thực vật bằng tất cả khả năng có thể.