Một nghiên cứu mới do Hirofumi Nakagami tại Viện nghiên cứu nhân giống cây trồng Max Planck ở Cologne, Đức dẫn đầu, chứng minh rằng một trong hai nhánh miễn dịch thực vật có khả năng đã tiến hóa sớm trong quá trình hình thành thực vật trên đất khô. Cái nhìn sâu sắc này về khả năng miễn dịch của thực vật thời tiền sử có thể có ý nghĩa trong việc nhân giống các loài thực vật có khả năng kháng bệnh tốt hơn.

Marchantia mọc trong tự nhiên. © GS. Hidefumi Shinohara, Đại học tỉnh Fukui, Nhật Bản.

Trong quá trình lên cạn của thực vật, thực vật đã tiến hóa từ sinh vật dưới nước sang sinh vật sống trên cạn, một sự thay đổi quan trọng trong việc hình thành hệ sinh thái, đa dạng sinh học và khí hậu của hành tinh. Sự tương tác cộng sinh hoặc đôi bên cùng có lợi với vi khuẩn được cho là rất cần thiết đối với những loài thực vật trên cạn sớm nhất này, có lẽ đã tiến hóa từ tảo xanh streptophyte, bằng cách cho phép cải thiện sự hấp thu chất dinh dưỡng. Tuy nhiên, hầu hết các vi khuẩn trong môi trường đều không thân thiện, vì vậy hệ thống miễn dịch hoạt động có thể đã đóng một vai trò quan trọng trong việc giúp thực vật có thể tự sinh sống trên đất khô. Nhóm nghiên cứu xung quanh Hirofumi Nakagami đã phát hiện ra rằng dòng miễn dịch đầu tiên được triển khai bởi nhiều loài thực vật có hoa và họ hàng của chúng cũng được tìm thấy trong nhóm thực vật trên cạn chính thứ hai, bao gồm rêu, rêu tản và rong nước. Phát hiện của họ cho thấy nhánh miễn dịch thực vật này đã tiến hóa sớm trong quá trình tiến hóa trên cạn và có thể rất quan trọng đối với sự thích nghi của thực vật với đất liền. Phát hiện của họ hiện được công bố trên tạp chí Current Biology.

Tổ tiên chung cuối cùng của thực vật trên cạn xuất hiện khoảng 500 triệu năm trước, sau đó thực vật trên cạn chia thành các dòng có mạch dẫn và những dòng không có mạch. Thực vật có mạch dẫn có thể tham gia vận chuyển nước và chất dinh dưỡng hiệu quả hơn qua các mô mạch của chúng và theo truyền thống đã nhận được nhiều sự chú ý hơn từ các nhà khoa học và nhà tạo giống cây trồng vì chúng bao gồm tất cả các loài thực vật có hoa và các loài cây trồng. Tuy nhiên, các nghiên cứu về họ hàng không có mạch dẫn của chúng có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc đáng kể về quá trình tiến hóa của thực vật, chẳng hạn như khi nào những đặc điểm và khả năng nhất định phát triển và các đặc điểm nói chung được chia sẻ rộng rãi như thế nào giữa các loài thực vật trên cạn còn tồn tại. Vì vậy, sự hiểu biết tốt hơn về thực vật không có mạch có thể được khai thác để cải thiện các chiến lược nhân giống.

Nakagami và nhóm của ông cùng với các nhà khoa học từ Nhật Bản và Tây Ban Nha nghiên cứu Marchantia polymorpha (Marchantia), một loài rêu tản từ thực vật không có mạch dẫn. Nhiều loài thực vật trên cạn đã trải qua quá trình sao chép bộ gen rộng rãi, điều này có thể khiến việc tìm ra chức năng của gen trở nên khó khăn, nhưng Marchantia thường chỉ có một bản sao của mỗi gen, nghĩa là việc khám phá chức năng của các gen khác nhau sẽ dễ dàng hơn. Các nhà nghiên cứu bắt đầu xác định xem liệu tuyến phòng thủ đầu tiên của thực vật, được gọi là miễn dịch kích hoạt theo mẫu (PTI) cũng được bảo tồn ở Marchantia hay không. PTI được trung gian bởi các thụ thể ở bề mặt tế bào, cảm nhận các sinh vật xâm nhập thông qua các họa tiết hoặc kiểu mẫu đặc trưng và chuyển nhận thức này thành kích hoạt các gen phòng vệ và các phản ứng đặc trưng khác. Các nhà khoa học lần đầu tiên đã xác nhận rằng những phản ứng này thực sự xuất hiện ở Marchantia bằng cách thử thách chúng bằng các chất được biết là có tác dụng kích hoạt PTI. Phân tích bộ gen của rêu tản cho thấy sự hiện diện của các thụ thể PTI và khi hai trong số này bị gián đoạn, Marchantia mất khả năng thực hiện các phản ứng phòng vệ.

Sự hiện diện của PTI ở thực vật không có mạch dẫn gợi ý rằng PTI đã hiện diện trong tổ tiên chung cuối cùng của tất cả các loài thực vật trên cạn và do đó rất sớm sau khi xuất hiện trên cạn. Nó còn ngụ ý rằng nhánh miễn dịch này có thể rất quan trọng trong việc cho phép thực vật xâm chiếm và tồn tại trên đất khô. Nó cũng gợi ý rằng tất cả các thực vật có mạch đều có chung khả năng này, có nghĩa là các chiến lược nhằm tăng cường PTI, ví dụ như thông qua chuyển gen, có thể có hiệu quả rộng rãi trên tất cả các loại thực vật, bao gồm cả cây trồng.

Nakagami hiện quan tâm đến việc xác định chính xác thời điểm PTI tiến hóa ở thực vật cổ đại: “Thật thú vị khi tìm hiểu làm thế nào thực vật có thể thích nghi với môi trường trên cạn khá bất lợi trước khi tiếp tục biến đổi bề mặt đất liền và cuối cùng mang lại lợi ích cho cuộc sống của chúng ta. Hiểu được nguồn gốc và sự tiến hóa của hệ thống miễn dịch thực vật có thể mang lại cho chúng ta những ý tưởng mới để phát triển các công nghệ bảo vệ thực vật phổ biến”.

Theo iasvn.org