KHI CÂY CỎ XUNG TRẬN

So với cuộc sống tất bật vội vã của thế giới loài người chúng ta, cuộc sống của một cái cây có lẽ bình yên hơn. Nhưng khi ta quan sát gần hơn một chút, sự háu ăn của các loài vật gây hại khiến thực vật liên tục rơi vào trạng thái căng thẳng: Chúng phải chiến đấu chỉ để được tồn tại.

Và khi chúng chiến đấu, không còn là những nạn nhân chịu trận, thực vật đã phát triển  những khả năng phòng thủ mạnh mẽ: các hợp chất hóa học đóng vai trò là chất độc, tín hiệu của một cuộc chiến đẫm máu hay là lời kêu gọi sự giúp đỡ của những đồng minh (và cũng có thể là kẻ thù).

Mặc dù vậy, tất cả sự phòng vệ này đều phải trả một cái giá, đó là năng lượng và những nguồn lực khác có thể đã được dùng vào việc sinh trưởng và sửa chữa. Vì vậy, để cân đối nguồn lực, thực vật phải đưa ra sự lựa chọn cho việc khi nào triển khai hệ thống vũ khí hóa học này và phải triển khai ra sao. Sau đây là 5 chiến lược mà những loài thực vật đã triển khai để tránh khỏi sự tấn công của côn trùng mà không phải hi sinh sự sống của chính chúng.

Thay vì liên tục bơm những chất hóa học phòng thủ ra ngoài 24/7 (một việc khiến lãng phí tài nguyên), thực vật tạm ngừng sản xuất những chất này cho đến khi có một cuộc tấn công xảy ra. Ngay khi côn trùng cắn vào lá, lá sẽ phát ra tín hiệu báo động bằng cách phát tán những chất khí – một loại chất hóa học cảnh báo những bộ phận khác, cũng như các loài thực vật lân cận, để bắt đầu ứng phó với những kẻ thù ác.

Hệ thống cảnh báo sớm này hoạt động thông qua một chuỗi các sự kiện phân tử. Đầu tiên, nó kích hoạt giải phóng ra hormone “Jasmonate”, từ đó phá vỡ các protein được gọi là JAZ. Những protein này ức chế các gen sản xuất các hóa chất phòng thủ và chất độc. Bằng cách loại bỏ JAZ, hormone Jasmonate giải phóng những gen trên để chúng có thể hoạt động, do đó cung cấp được năng lượng cho dây truyền sản xuất vũ khí của thực vật. Thực vật cũng tận dụng mạng lưới ngầm dưới mặt đất để cảnh báo nhau về sự nguy hiểm đang cận kề. Rất nhiều loài thực vật có mối quan hệ cộng sinh với nấm trong lòng đất, những loài nấm này xuyên qua lớp vỏ của rễ cây, cung cấp nguồn dự trữ carbon và giúp cây lấy lại được những chất dinh dưỡng cần thiết như nito và phospho. Nấm phát triển bằng cách tạo ra các nhánh dài, mảnh gọi là sợi nấm, chúng trú ngụ ở những thực vật gần cạnh, tạo thành một mạng lưới rộng lớn dưới lòng đất.

Trong những thí nghiệm với những loài cây họ đậu, khi các nhà nghiên cứu thả rệp lên thân cây được bọc trong túi nhựa (nhằm để cái cây này không thể phát tán tín hiệu cảnh báo qua không khí), các loài thực vật khác cùng kết nối chung một mạng lưới nấm dưới lòng đất cũng bắt đầu tạo ra các hợp chất phòng thủ. Trong khi những “hàng xóm” không có kết nối đó thì không có phản ứng gì cả. Những loài nấm này có vai trò như một mạng internet sinh học, đưa những thông tin quan trọng từ cây này qua cây khác.

Thực vật cũng bảo tồn tài nguyên bằng cách chiêu mộ một số đồng minh để cùng kề vai sát cánh chiến đấu với chúng. Trong số các vũ khí của thực vật có cả những chất khí có tác dụng vẫy gọi thiên địch của những côn trùng tấn công chúng.

Ví dụ, khi bị sâu bướm tấn công, loài ngô châu Âu phát ra chất Beta-caryophyllene dễ bay hơi, thu hút loài ong bắp cày ký sinh. Ong bắp cày đẻ trứng vào bên trong cơ thể của sâu bướm, làm chậm quá trình kiếm ăn của chúng và cuối cùng, khi trứng nở ra sau vài tuần, chúng sẽ giết chết sâu bướm. Loài ngô châu Âu này cũng tiết ra Beta-caryophyllene dưới mặt đất để phản ứng lại sự tấn công của sâu ăn rễ. Tín hiệu này lan truyền qua những hốc trong lòng đất, vẫy gọi giun đũa săn mồi kiểu: “Bữa tối đã sẵn sàng, đến đây thưởng thức nào các iem!”

Mặc dù vậy, trong vài trường hợp, một lời kêu cứu như vậy có thể mang đến những vị khách không mời. Ví dụ, các giống ngô được trồng ở Hoa Kỳ đã mất khả năng sản xuất Beta-caryophyllene, khiến chúng dễ bị côn trùng tấn công hơn. Nhưng khi các nhà khoa học khôi phục lại gen điều khiển sự sản xuất hóa chất này trên các cây trồng trong phòng thí nghiệm, rễ của chúng lại trở nên thu hút với một loại nấm gây bệnh. Có vẻ như loài nấm này đã tiến hóa để nhận ra Beta-caryophyllene như một lời mời gọi, khiến cây ngô rơi vào tình huống lựa chọn khó khăn: Giữ lại các đồng minh là ong bắp cày và sâu, đồng thời chịu khuất phục trước nấm, hoặc nắm lấy cơ hội chống lại các loài động vật ăn cỏ [1].

Tại sao phải trật vật triển khai vũ khí phức tạp khi bạn có thể dụ kẻ tấn cống vào một cái bẫy? Những loài cây thuộc họ cải (bao gồm bông cải xanh, cải bắp và mù tạt) dự trữ những hợp chất dường như vô hại gọi là glucosinolate trong các ngăn tế bào bên cạnh kho chứa enzyme gọi là myrosinase. Hai ngăn chứa này chỉ được ngăn cách bởi một vách tế nào mỏng. Khi một động vật ăn cỏ nhai qua vách ngăn này,  enzyme myrosinase sẽ trộn lẫn với glucosinolate, xúc tác các phản ứng hóa học nhấn chìm kẻ tấn công trong một đám mây độc. (Chính những phản ứng này đã tạo ra vị đắng đặc trưng và đặc tính chống oxy hóa của những loài cây họ cải).

Mặc dù vậy, chỉ khi những chiếc bẫy này có hiệu quả, thì thực vật mới dành nhiều nguồn lực hơn để tạo ra chúng. Khi côn trùng nhai lá như sâu bướm kích hoạt bẫy, kết quả là tổn thương này khiến cây tăng cường sản xuất glucosinolate. Tuy nhiên, những loài côn trùng hút như rệp, chúng tránh bẫy bằng cách lấy thức ăn thông qua một ống nhỏ giống như mũi kim, điều này chỉ gây ra một tác động nhỏ. Cây không lãng phí tài nguyên vào những loại vũ khí kém hiệu quả.

Một số loài thực vẫn đã học được ngôn ngữ giao tiếp của kẻ thù và sử dụng chúng để lan truyền những thông tin nhiễu. Ví dụ như rệp, giải phóng ra một loại pheromone (có tác dụng như hormone, nhưng để tác động lên những cá thể khác) mang tên Beta-farnesene khi bị tấn công bởi những kẻ săn mồi khác. Chất này cảnh báo cho những con rệp khác gần đó biết rằng chúng đang bị quấy rối và điều cần làm lúc này là bỏ chạy. Thực vật thường giải phóng ra Beta-farnesene khi bị rệp tấn công, nhằm mục đích xua đuổi những kẻ xâm lược bằng cách bắt chước tín hiệu “đau khổ” của chúng. Nhưng không phải lúc nào cách làm này cũng hiệu quả.

Trong phần lớn các trường hợp, thực vật giải phóng pheromone theo một dòng ổn định, y như một phần của hỗn hợp các chất phòng vệ, và rệp đã học được cách để phân biệt và phớt lờ nó. Tuy nhiên, khoai tây dại đã tìm ra cách để điều chỉnh tín hiệu này thành một hiệu ứng thành công. Nó lưu trữ pheromone trong các bóng mỏng manh ở đầu các sợi tơ lá nhỏ. Khi một con rệp đậu trên lá, chân của nó bị dính vào bề mặt của lá. Khi con rệp cố gắng tự giải thoát, nó làm vỡ những bóng nhỏ kia, giải phóng Beta-farnesene thành từng đợt giống như tín hiệu báo động của rệp.

Trong một trận chiến đẫm máu, một cái cây hẳn sẽ có xu hướng dính thương tích. Một loạt các hợp chất gọi là chất bay hơi lá xanh hoạt động như những chất khử trùng, bảo vệ các mô tổn thương khỏi sự lây nhiễm của vi khuẩn hoặc nấm. (Những chất này tạo nên mùi thơm của cỏ mới cắt, đồng thời gửi một lời cảnh báo đến các cây lân cận, nhắc nhở chúng rằng nguy hiểm đang cận kề).

Một cái cây bị thương cũng sản xuất ra một loại acid chấn thương gọi là “hormone vết thương”, hormone này kích thích sự phân chia tế bào để đóng vết rách lại giống như cách mà máu đông lại trong vết thương của động vật. Những phản ứng này xảy ra ngay trong vòng vài phút sau khi bị tấn công – thực vật bắt đầu tự vá lại trong khi vẫn đang chiến đấu trống lại những kẻ xâm lược. Do đó, một cái cây phải kiên tục quyết định phân chia tài nguyên của nó cho phòng thủ và tái sinh ra sao cho hợp lý.

Và khi cuộc đấu tranh giữa thực vật và côn trùng diễn ra từ đời này qua đời khác, mỗi bên liên tục sửa đổi chiến thuật của mình để cố gắng chiếm ưu thế. Ví dụ, côn trùng đang bắt đầu tiến hóa tạo ra các loại thuốc giải động để chống lại các biện pháp phòng vệ của thực vật, bao gồm khả năng vô hiệu hóa chất độc hoặc thậm chí ăn trộm chúng về để tự kết liễu. Do đó gây áp lực cho thực vật phải phát triển các chiến thuật mới hiệu quả hơn. Cuộc chiến này là một cuộc chạy đua vũ trang của nữ hoàng Đỏ (Red Queen’s arms race [2]): Cả hai bên đều chạy hết sức chỉ để đứng yên.