Nếu bạn đi ngang qua một cây cà chua héo úa vào một buổi chiều nóng nực, bạn có thể cho rằng nó chẳng còn sức sống. Nhưng điều bất ngờ là: nếu cây đó sống sót, nó có thể "ghi nhớ" đợt nắng nóng vừa qua.

Lần tới khi nhiệt độ tăng cao, cơ thể có thể thích nghi tốt hơn. Đây không phải là trí nhớ theo cách con người vẫn nghĩ – mà là cơ chế di truyền học biểu sinh.

Thực vật có thể điều chỉnh cách bật và tắt các gen của chúng, để lại những dấu vết giúp chúng phản ứng nhanh hơn vào lần tiếp theo khi gặp phải căng thẳng.

Ý nghĩa thực sự của Epigenetics

Gen không phải là những chỉ dẫn tĩnh được cố định. Epigenetics là tập hợp các công tắc, thẻ và dấu hiệu hóa học kiểm soát cách thức hoạt động của gen. Bạn có thể coi bộ gen như một thư viện, và epigenetics như những mẩu giấy ghi chú đánh dấu những cuốn sách cần đọc trong thời điểm khủng hoảng.

Đối với thực vật, hệ thống kiểm soát này rất quan trọng. Chúng không thể chạy trốn khỏi hạn hán, đất nghèo dinh dưỡng hoặc sự tấn công của côn trùng. Thay vào đó, chúng tự điều chỉnh – quyết định kích hoạt gen nào, làm im lặng gen nào và điều chỉnh sự phát triển như thế nào để có thể sống sót qua điều kiện căng thẳng.

Ba cách thực vật sử dụng Epigenetics khi gặp căng thẳng

1. Phòng vệ trước nhiệt độ cao và hạn hán

Khi nguồn nước cạn kiệt hoặc nhiệt độ tăng cao, thực vật kích hoạt các protein bảo vệ và giảm mất nước qua lá. Các dấu hiệu epigenetic giúp duy trì những phản ứng này, vì vậy nếu căng thẳng quay trở lại, cây sẽ phản ứng nhanh hơn.

2. Thách thức về muối và đất

Ở các khu vực ven biển hoặc đất bị thoái hóa, nồng độ muối cao đe dọa sự sống còn của thực vật. Một số loài sử dụng các điều chỉnh biểu sinh để điều hòa vận chuyển ion—về cơ bản là ngăn chặn các muối có hại xâm nhập vào các mô nhạy cảm trong khi vẫn duy trì sự phát triển.

3. Khả năng kháng bệnh

Khi bị nấm hoặc vi khuẩn tấn công, thực vật tăng cường khả năng phòng vệ giống như hệ miễn dịch. “Bộ nhớ” biểu sinh đảm bảo rằng nếu cùng một mầm bệnh tấn công lần nữa, phản ứng sẽ nhanh hơn và mạnh hơn, gần giống như việc thực vật huấn luyện hệ thống miễn dịch của chính nó.

Cách các nhà khoa học phát hiện những thay đổi này

Các dấu hiệu biểu sinh vô hình đối với mắt thường, nhưng các nhà nghiên cứu có thể theo dõi chúng bằng cách sử dụng trình tự DNA và các công cụ phân tử. Một dấu hiệu phổ biến là sự methyl hóa DNA—một thẻ hóa học làm im lặng một số gen nhất định. Một dấu hiệu khác liên quan đến protein histone, “cuộn” DNA quấn quanh; việc điều chỉnh chúng có thể làm cho các gen dễ tiếp cận hơn hoặc khó tiếp cận hơn.

Bằng cách so sánh các cây bị căng thẳng với các cây không bị căng thẳng, các nhà khoa học có thể lập bản đồ cách các mô hình này thay đổi và xem gen nào đang được điều chỉnh.

Tại sao biểu sinh học lại quan trọng ngoài phòng thí nghiệm

Đây không chỉ là một chi tiết học thuật. Di truyền học biểu sinh có những ứng dụng thực tiễn:

• Nông dân một ngày nào đó có thể sử dụng hạt giống được “chuẩn bị” thông qua các điều kiện gây căng thẳng có kiểm soát, để thế hệ tiếp theo có khả năng chống chịu hạn hán hoặc nắng nóng tốt hơn.

• Các nhà lai tạo giống cây trồng đang nghiên cứu xem liệu các đặc điểm biểu sinh có thể được truyền cho thế hệ con cháu hay không, giúp cây trồng có khả năng phục hồi vốn có mà không cần thay đổi trình tự DNA của chúng.

• Các nhà bảo tồn đang xem xét cách các loài thực vật hoang dã sử dụng tính linh hoạt biểu sinh để tồn tại trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt, với hy vọng áp dụng những bài học đó cho các loài có nguy cơ tuyệt chủng.

Những ảnh hưởng hàng ngày của ký ức thực vật

Thức ăn trên đĩa của bạn có thể đã phản ánh hoạt động của di truyền học biểu sinh ở thực vật. Cây trồng được trồng trong môi trường khắc nghiệt thường thể hiện những đặc điểm độc đáo—như hệ rễ sâu hơn hoặc khả năng chịu đựng tốt hơn đối với đất nghèo dinh dưỡng. Ngay cả hương vị hoặc giá trị dinh dưỡng của rau cũng có thể thay đổi tùy thuộc vào cách cây trồng phản ứng về mặt biểu sinh với căng thẳng trong quá trình sinh trưởng. Loại rau diếp “dai” hoặc cà rốt ngọt bất thường đó có thể là kết quả của những điều chỉnh phân tử ẩn giấu.

Bức tranh toàn cảnh

Sinh học biểu sinh định hình lại cách chúng ta nhìn nhận thực vật. Chúng không phải là những vật trang trí xanh thụ động chờ mưa. Chúng là những sinh vật sống sót tích cực với bộ công cụ phân tử cho phép chúng cảm nhận, thích nghi và chuẩn bị cho tương lai. Trong khi quá trình tiến hóa diễn ra qua hàng thiên niên kỷ, những thay đổi biểu sinh có thể xảy ra trong suốt vòng đời của một cây, mang lại cho nó sự linh hoạt để sống sót trong những điều kiện khó lường.

Một suy nghĩ để ghi nhớ

Lần tới khi bạn tưới nước cho một cây trông có vẻ bị căng thẳng, hãy nhớ: nó có thể đang làm nhiều hơn là chỉ cố gắng bám trụ. Sâu bên trong các tế bào của nó, các công tắc đang được bật, các dấu hiệu đang được hình thành và sự chuẩn bị đang được tiến hành cho những thách thức của ngày mai. Thực vật không chỉ chịu đựng căng thẳng mà còn học hỏi từ nó theo cách riêng của chúng, một cách thầm lặng và bằng các phản ứng hóa học. Và trong bài học đó cũng có một lời nhắc nhở dành cho chúng ta: khả năng phục hồi không chỉ là sống sót qua hiện tại; mà còn là chuẩn bị cho những gì sẽ đến tiếp theo.