Nếu bạn từng thấy một chiếc lá bị nhai nát qua đêm hoặc một bông hoa héo úa mà không rõ lý do, bạn có thể nghĩ rằng thực vật là nạn nhân bất lực của thế giới tự nhiên. Nhưng điều này có thể khiến bạn ngạc nhiên: thực vật có hệ thống miễn dịch riêng.

Chúng có thể cảm nhận được kẻ tấn công, phản ứng bằng vũ khí hóa học, và thậm chí "cảnh báo" hàng xóm về những mối đe dọa sắp tới. Mặc dù không có thần kinh hay máu, hệ thống phòng thủ của chúng lại tinh vi đến kinh ngạc—và thông minh hơn chúng ta thường nghĩ.

Vậy thì chính xác thì cây bảo vệ mình khỏi côn trùng, vi khuẩn, nấm và các tác nhân xâm nhập khác như thế nào?

Phòng thủ tích hợp: Tuyến phòng thủ đầu tiên

Trước khi cây nhận ra kẻ xâm lược, nó đã có sẵn các rào cản vật lý. Những rào cản thụ động này giúp ngăn chặn hầu hết các cuộc tấn công trước khi chúng bắt đầu.

1. Lớp biểu bì sáp: Lớp sáp mỏng trên lá này hoạt động như một chiếc áo mưa, ngăn chặn các mầm bệnh lây lan qua nước.

2. Thành tế bào dày: Tế bào thực vật được bao quanh bởi các thành cứng giúp hạn chế sự lây lan của nhiễm trùng.

3. Lông tơ: Những cấu trúc nhỏ như lông này có thể chọc hoặc gây kích ứng cho các loài động vật ăn cỏ nhỏ. Một số lông tơ thậm chí còn tiết ra các chất độc hoặc chất dính để bẫy côn trùng.

Nhưng nếu có thứ gì đó vượt qua được những rào cản này—ví dụ, một con sâu bướm bắt đầu nhai hoặc một loại nấm chui vào khe hở—thì cây không chỉ thụ động.

Phản ứng miễn dịch: Thực vật có thể cảm nhận được sự cố

Thực vật không có não hoặc dây thần kinh, nhưng chúng có thể phát hiện vi khuẩn xâm nhập hoặc thiệt hại do côn trùng gây ra gần như ngay lập tức. Chúng thực hiện điều này thông qua các protein thụ thể trên bề mặt tế bào.

Cách thức hoạt động như sau:

1. Nhận dạng mẫu: Khi nấm hoặc vi khuẩn xâm nhập vào cây, các phân tử trên bề mặt của tác nhân xâm nhập (được gọi là PAMP, hay các mẫu phân tử liên quan đến tác nhân gây bệnh) được các thụ thể của cây nhận dạng.

2. Kích hoạt báo động: Cây kích hoạt phản ứng phòng vệ nhanh chóng, bao gồm sản xuất các chất kháng khuẩn, củng cố thành tế bào, và trong một số trường hợp, gây ra cái chết theo chương trình ở các tế bào bị nhiễm bệnh để ngăn chặn sự lây lan—giống như hy sinh một vài tế bào để cứu toàn bộ lá.

3. Cảnh báo hệ thống: Trong nhiều trường hợp, cây sẽ gửi tín hiệu nội bộ để cảnh báo các bộ phận xa của cơ thể—hoặc thậm chí các cây gần đó—rằng mối nguy hiểm đang hiện hữu.

Phản ứng giống miễn dịch này được gọi là PTI (Miễn dịch kích hoạt theo mẫu), và nó là phiên bản phòng thủ miễn dịch không đặc hiệu của thực vật - nhanh chóng, phổ biến và rộng khắp.

Khi kẻ xâm lược qua mặt cây

Một số tác nhân gây bệnh và côn trùng tiến hóa để lẻn qua hệ thống này. Ví dụ, chúng có thể sản xuất các protein đặc biệt ức chế các phản ứng miễn dịch ban đầu của cây.

Để chống lại điều này, thực vật có tuyến phòng thủ thứ hai: Miễn dịch kích hoạt bởi tác nhân (ETI).

Trong ETI, thực vật sử dụng các cảm biến bên trong đặc hiệu (thường được mã hóa bởi gen R) để phát hiện các protein xâm nhập bên trong tế bào của chính nó. Khi những protein này được kích hoạt, thực vật phản ứng bằng một cơ chế phòng thủ mạnh hơn, có mục tiêu hơn - thường gây ra phản ứng quá mẫn, trong đó các tế bào bị nhiễm bệnh chết nhanh chóng để bẫy mầm bệnh.

ETI chậm hơn nhưng chính xác hơn. Nó phần nào tương tự như hệ thống miễn dịch thích nghi của cơ thể chúng ta, vốn học hỏi từ các lần nhiễm trùng trước đó.

Hóa chất Quốc phòng: Thuốc trừ sâu tự chế từ thiên nhiên

Thực vật sản sinh ra nhiều loại chất chuyển hóa thứ cấp—những hợp chất không tham gia vào quá trình sinh trưởng cơ bản mà chỉ được sử dụng để tự vệ.

Một số hợp chất thú vị nhất bao gồm:

1. Ancaloit: Những hợp chất có vị đắng này (có trong họ Cà độc dược và các loài khác) có thể gây ảnh hưởng đến hệ thần kinh của côn trùng.

2. Terpenoid: Chúng bao gồm các loại tinh dầu như menthol hoặc limonene, có tác dụng xua đuổi côn trùng hoặc thu hút động vật ăn thịt côn trùng tấn công.

3. Phenolic: Chúng bao gồm tannin và lignin—được sử dụng để củng cố thành tế bào và làm cho mô thực vật khó tiêu hóa hơn.

Những hóa chất này không được lưu trữ ngẫu nhiên. Một số được sản xuất chỉ để phản ứng với thiệt hại, nhằm tiết kiệm năng lượng và tránh tình trạng tự độc không cần thiết.

"Giao tiếp" của thực vật: Cảnh báo và tín hiệu

Có lẽ điều đáng kinh ngạc nhất là thực vật cảnh báo lẫn nhau khi bị tấn công.

Lấy ví dụ như axit jasmonic - một loại hormone thực vật được giải phóng vào không khí khi một chiếc lá bị côn trùng làm tổn thương. Các cây lân cận có thể phát hiện tín hiệu trong không khí này và bắt đầu tăng cường hệ thống phòng thủ hóa học của chính chúng trước khi bị tấn công.

Ngoài ra còn có tín hiệu điện bên trong cây. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science (Toyota và cộng sự, 2018) phát hiện ra rằng khi một chiếc lá bị cắn, một sóng điện (tương tự như xung thần kinh) sẽ truyền qua cây, kích hoạt các phản ứng phòng thủ ở những vùng xa.

Vì vậy, mặc dù thực vật không "cảm thấy đau" như động vật, chúng vẫn nhận ra tổn thương và phản ứng bằng các tín hiệu được tổ chức chặt chẽ.

Ứng dụng thực tế: Kiến thức này giúp ích gì cho chúng ta

Hiểu biết về khả năng miễn dịch của thực vật không chỉ mang tính lý thuyết—nó còn có ứng dụng thực tế trong nông nghiệp, làm vườn và phát triển bền vững.

1. Khả năng kháng sâu bệnh tự nhiên: Các nhà lai tạo có thể chọn lọc hoặc cải tiến di truyền các loại cây trồng có phản ứng PTI và ETI mạnh hơn, giúp giảm nhu cầu sử dụng thuốc trừ sâu.

2. Kiểm soát sinh học: Nông dân có thể đưa các vi sinh vật có lợi vào để "huấn luyện" hệ thống miễn dịch của cây trồng phản ứng nhanh hơn.

3. Làm vườn thông minh hơn: Người làm vườn có thể chọn các loại cây trồng xen kẽ giải phóng các tín hiệu hoặc hợp chất hữu ích, tạo ra một loại miễn dịch cộng đồng.

Và nếu bạn đã từng sử dụng dầu neem hoặc thuốc xịt tỏi trong vườn sau nhà, bạn đã tận dụng được lợi ích của hóa học phòng vệ thực vật—chỉ từ bên ngoài vào trong.

Nhìn cây cối như những chiến binh

Lần tới khi bạn thấy một cây xanh tươi tốt dưới ánh nắng mặt trời, hãy nhớ rằng—nó không chỉ đang phát triển mà còn đang tự vệ. Mỗi ngày, lặng lẽ, không hề nhúc nhích, cây cối đang đưa ra những quyết định: hấp thụ cái gì, bỏ qua cái gì, chống lại cái gì, và khi nào thì kêu cứu.

Bạn đã bao giờ thấy một cây cảnh trong nhà tự phục hồi sau khi bị sâu bệnh tấn công mà không cần bất kỳ sự trợ giúp nào chưa? Rất có thể, nó đã tự mình chiến đấu.

Vậy, những cây nào trong không gian của bạn là những chiến binh thầm lặng? Có thể bạn đang sống cùng những chiến binh kiên cường hơn bạn nghĩ.