Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một nghiên cứu do Đại học Michigan thực hiện cho thấy rằng thực vật sinh trưởng trong môi trường đất giàu dinh dưỡng có khả năng phát triển cơ chế phòng vệ chống lại côn trùng cao hơn.

Nghiên cứu, do tiến sĩ Mia Howard, giảng viên Khoa Sinh thái và Tiến hóa, Đại học Michigan chủ trì và được công bố trên tạp chí Oikos, đã phát hiện ra rằng cây vàng anh (Solidago spp.) phát triển tại các cánh đồng được bón phân hàng năm với mức nitơ tương đương sản xuất nông nghiệp có hiện tượng “cúi đầu” (nod) như một cơ chế phòng vệ trước các loài côn trùng đẻ trứng vào ngọn thân cây.

“Một trong những điểm thú vị của phát hiện này là có rất nhiều giả thuyết và lý thuyết dự đoán rằng nguồn tài nguyên có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa của các cơ chế phòng vệ ở thực vật, và đây là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên cho thấy điều đó là đúng”, tiến sĩ Howard cho biết.

Thực vật có nhiều cơ chế phòng vệ nhằm đối phó với sinh vật ăn lá. Một trong những cơ chế phổ biến là phòng vệ hóa học, trong đó cây tạo ra các hợp chất có vị đắng, gây khó chịu hoặc độc hại đối với động vật ăn lá. Tuy nhiên, các cơ chế phòng vệ này thường phức tạp, tốn kém để đánh giá và dễ bị ảnh hưởng bởi tình trạng dinh dưỡng hiện tại của cây. Điều này khiến việc phân biệt giữa sự phòng vệ do yếu tố di truyền (tiến hóa) và ảnh hưởng tạm thời của nguồn dinh dưỡng trở nên khó khăn, theo Howard cho biết.

Cây vàng anh, một loài thực vật bản địa Bắc Mỹ hiện phân bố rộng rãi trên toàn thế giới, là đối tượng bị một số loài côn trùng đẻ trứng vào ngọn thân. Những loài côn trùng này tiêm trứng vào thân cây, kích thích hình thành các khối u (gall). Đây là nơi trú ngụ ban đầu cho ấu trùng sau khi nở, thường có dạng chùm lá xoắn lại hoặc một khối cầu tròn trên thân cây.

Để ngăn chặn quá trình này, một số cá thể vàng anh có hiện tượng “cúi đầu”, uốn cong phần đỉnh thân cây trong thời gian côn trùng trưởng thành đang tìm nơi để đẻ trứng, nhằm che giấu vị trí dễ bị tấn công nhất.

Tiến sĩ Howard đã theo dõi hiện tượng này tại Trạm Sinh học W.K. Kellogg (Đại học Bang Michigan).Tại đây, các lô đất đã được xử lý bằng phân bón nitơ ở mức nông nghiệp trong hơn 30 năm. Howard khảo sát sáu cánh đồng có cây vàng anh mọc tự nhiên và so sánh các cá thể ở những khu vực có bón phân với các cá thể ở vùng đất liền kề không được bón phân (chỉ có lượng dinh dưỡng tự nhiên). Kết quả cho thấy tỷ lệ cây vàng anh có hiện tượng “cúi đầu” cao hơn đáng kể so với cây ở các lô đất giàu dinh dưỡng.

Điều đặc biệt là hiện tượng “cúi đầu” ở cây vàng anh là một đặc điểm di truyền ổn định. Những cây không mang gen liên quan sẽ không có hiện tượng này, trong khi những cây có gen sẽ luôn “cúi đầu” bất kể hàm lượng nitơ trong đất là bao nhiêu. Điều này cho thấy cây vàng anh trở thành mô hình lý tưởng để nghiên cứu, vì hiện tượng “cúi đầu” có thể dễ dàng nhận biết bằng quan sát trực tiếp trên thực địa.

“Nếu một cây có gen quy định đặc điểm này, nó sẽ luôn ‘cúi đầu’. Chúng tôi có thể dễ dàng xác định chỉ bằng cách nhìn vào hình dáng thân cây,” Howard cho biết. “Phương pháp này rất trực quan và không cần công nghệ cao”.

Tuy nhiên, vì các cây cúc vàng anh sẽ duỗi thẳng thân trở lại sau khi uốn cong, nhóm nghiên cứu phải quay lại hiện trường nhiều lần để theo dõi đúng thời điểm. Các nhà nghiên cứu suy đoán rằng hiện tượng này xảy ra đúng vào thời điểm các loài côn trùng gây hại bay đi tìm cây để đẻ trứng. Khi giai đoạn nguy cơ đã qua, thân cây sẽ trở lại vị trí thẳng đứng.

“Mặc dù đây là một cơ chế phòng vệ hiếm gặp, chúng tôi phát hiện rằng các cá thể vàng anh có hiện tượng ‘cúi đầu’ phổ biến hơn ở các khu vực đất được bón phân nitơ lâu dài. Điều này cho thấy rằng điều kiện giàu dinh dưỡng có thể thúc đẩy chọn lọc tiến hóa đối với đặc điểm phòng vệ này”. Howard cho biết: “Thật thú vị khi được chứng kiến tiến trình tiến hóa ở thực vật đang diễn ra ngay trong thời gian thực.”

Howard cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của các nghiên cứu dài hạn: “Chúng tôi thật sự may mắn khi Trạm Sinh học Kellogg đã triển khai và duy trì thí nghiệm này suốt ba thập kỷ. Các nghiên cứu dài hạn như thế này rất giá trị, có thể trong giai đoạn đầu chưa thấy rõ sự thay đổi, nhưng theo thời gian, đây sẽ là nguồn dữ liệu tuyệt vời để nghiên cứu tiến hóa”.

Nguồn: phys.org