Chất 'thông linh' giúp thực vật nhiều lần tiến hóa để ăn thịt động vật

Trong một chuyến đi dài vào mùa hè năm 1860, Charles Darwin lần đầu tiên nhận thấy một hiện tượng kỳ lạ giữa các loài thực vật vẫn khiến các nhà khoa học bối rối cho đến ngày nay. Trên vùng đất thạch nam của Anh, có khá nhiều côn trùng bị dính chặt trên lá của loại cây họ su su (Drosera rotundifolia).

Và lần quan sát tình cờ đó đã khởi đầu cho nỗ lực kéo dài 16 năm của Darwin nhằm chứng minh rằng một số loài thực vật có thể ăn thịt động vật, phân giải protein từ con mồi bằng enzym và hấp thụ chất dinh dưỡng để phát triển.

Lúc đầu, ngay cả vợ Darwin cũng hoài nghi ông có vấn đề về thần kinh. Trong thư gửi một người bạn, vợ Darwin viết: “"Hiện tại, Charles đang coi Drosera giống như một sinh vật có tri giác và tôi cho rằng anh ấy hy vọng cuối cùng sẽ chứng minh cho mọi người thấy nó là một con vật".

Ngày nay, những người theo chủ nghĩa khoa học không còn tranh cãi về sự tồn tại của thực vật ăn thịt, nhưng điều đó không có nghĩa là chúng ta hiểu đầy đủ cách thức những dạng sống kỳ lạ này tiến hóa để thu hút, bắt giữ và tiêu hóa con mồi, đặc biệt là những con mồi lớn như động vật lưỡng cư và động vật có vú nhỏ.

Cây ăn thịt hiện có rất nhiều hình dạng và kích cỡ, gồm cả bẫy dạng nắp ấm và bẫy kẹp. Một số, như Drosera kể trên, sử dụng bẫy dính đơn giản để bắt côn trùng, trong khi những loài khác, như cây bắt ruồi Venus đã phát triển các "bẫy sập" phức tạp hơn để tóm con mồi.

Nghiên cứu di truyền gần đây cho thấy bẫy sập của thực vật ban đầu phát triển từ bẫy dạng dính nhưng không phải là chỉ có một nhánh tiến hóa mà có ít nhất 3 hoặc 4 nhánh độc lập.

Vào năm 2018, một nghiên cứu đã tìm ra bằng chứng cho thấy cây ăn thịt đã tiến hóa độc lập ít nhất 10 lần từ các loài thực vật có hoa. Nhiều lần, các loài thực vật khác nhau dường như tái sử dụng một số gien để thích nghi hơn với cuộc sống săn mồi.

Nhà sinh vật học Victor Albert thuộc Đại học Buffalo vào năm 2017 giải thích: "Các loài thực vật này có bộ công cụ di truyền và chúng đang cố gắng tìm ra đáp án cho vấn đề làm thế nào để trở thành loài ăn thịt. Và cuối cùng, tất cả đều đưa ra cùng một giải pháp".

Cây ăn thịt có xu hướng phát triển ở những khu vực đất nghèo dinh dưỡng, như đầm lầy và vùng ngập nước. Ở môi trường đó, một con côn trùng có kích thước vừa phải cũng có thể cung cấp cho cây bẫy ruồi Venus đủ phốt pho và ni tơ để tiếp tục hoạt động trong nhiều tuần.

Vì vậy, chúng có động lực để tạo ra những cái bẫy phức tạp và tốn nhiều năng lượng như vậy. Các nghiên cứu di truyền mới cũng đã bắt đầu làm sáng tỏ cách thức.

Hóa ra hầu hết chúng đã cùng chọn một phần của hệ thống bảo vệ thực vật toàn cầu sử dụng hóa chất jasmonate. Hầu hết các loài thực vật sử dụng jasmonate như chất “thông linh” để cảnh báo nguy hiểm cho nhau. Vào năm 2019, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng cây bẫy ruồi đang sử dụng jasmonate để tổng hợp các enzym phân hủy con mồi và huy động chất vận chuyển chất dinh dưỡng.

Nhưng không chỉ phương pháp dùng chất jasmonate là độc tôn. Chẳng hạn Pinguicula (là một chi thực vật ăn thịt sử dụng dây lá dính để thu hút, bẫy và tiêu hóa côn trùng) không sử dụng phương pháp trên và các chiến lược của nhiều loài khác vẫn còn bí mật.

Cho đến khi các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự đánh đổi thực đơn của loài thực vật ăn thịt trên khắp thế giới thì chúng ta vẫn khó nắm bắt hết lý do tại sao chúng lại có sự tiến hóa như vậy.

Và không có thời gian để lãng phí cho việc nghiên cứu khi chúng đang ở bên bờ vực. Vào năm 2020, các nhà nghiên cứu ước tính rằng 1/4 số loài thực vật ăn thịt mà con người đã biết có nguy cơ tuyệt chủng. Nếu không khám phá những bí ẩn của chúng bây giờ, sau này có thể không còn cơ hội.

Jasmonate (JA) và các dẫn xuất của nó là các hormone thực vật giúp điều hòa một loạt các quá trình trong thực vật, từ sự tăng trưởng và quang hợp đến sự phát triển sinh sản. Đặc biệt, JA rất quan trọng để giúp thực vật chống lại động vật ăn cỏ và đáp ứng của thực vật đối với các điều kiện môi trường kém và các "thách thức" phi sinh học hoặc sinh học khác. Một số JA cũng có thể được giải phóng dưới dạng hợp chất hữu cơ dễ bay hơi để cho phép "giao tiếp" lẫn nhau giữa các cây để đề phòng mối nguy hiểm.

Về cấu tạo hóa học, JA là một oxylipin, tức là một dẫn xuất của a xít béo oxy hóa. Nó được sinh tổng hợp từ a xít linolenic, bắt đầu từ trong màng của lục lạp. Quá trình tổng hợp được bắt đầu với việc chuyển đổi a xít linolenic thành a xít 12-oxo-phytodienoic (OPDA), sau đó trải qua một sự khử và ba lần oxy hóa để tạo thành (+)-7-iso-JA, a xít jasmonic. Chỉ có sự chuyển đổi a xít linolenic thành OPDA là xảy ra trong lục lạp; tất cả các phản ứng tiếp theo xảy ra ở peroxisome.

Bản thân JA có thể được chuyển hóa thành các dẫn xuất dạng hoạt động hoặc không hoạt động. Methyl JA (MeJA) là một hợp chất dễ bay hơi có thể chịu trách nhiệm về "giao tiếp" giữa các cây. JA liên kết với amino acid isoleucine (Ile) tạo thành JA-Ile, hiện là JA chuyển hóa duy nhất được biết đến là cần thiết cho truyền tín hiệu JA.