Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus đã phát hiện một “công tắc” phân tử cho phép thực vật thiết lập quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm thay vì chống lại chúng. Phát hiện này có thể mở đường cho các loại cây ngũ cốc tự bón phân.

"Chúng ta đang tiến gần hơn một bước đến nền sản xuất thực phẩm xanh hơn và thân thiện hơn với khí hậu." Đó là kết luận của Kasper Røjkjær Andersen và Simona Radutoiu, giáo sư sinh học phân tử tại Đại học Aarhus. Nghiên cứu mới của họ làm nổi bật một manh mối sinh học quan trọng có thể giúp giảm sự phụ thuộc nặng nề của nông nghiệp vào phân bón hóa học.

Thực vật cần nitơ để phát triển, và hầu hết các loài cây trồng chỉ có thể thu được nitơ thông qua phân bón. Tuy nhiên, một nhóm nhỏ thực vật, bao gồm đậu Hà Lan, cỏ linh lăng và các loài đậu, có thể phát triển mà không cần bổ sung nitơ. Chúng làm được điều này bằng cách cộng sinh với các vi khuẩn chuyên biệt có khả năng chuyển hoá nitơ từ không khí thành dạng mà cây có thể hấp thụ.

Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang nỗ lực tìm hiểu cơ sở di truyền và phân tử của khả năng cố định đạm tự nhiên này. Hy vọng là đặc tính này cuối cùng có thể được chuyển vào các loại cây trồng chính như lúa mì, lúa mạch và ngô. Nếu thành công, những cây trồng này có thể tự cung cấp nitơ. Điền này sẽ làm giảm nhu cầu sử dụng phân bón tổng hợp, hiện chiếm khoảng hai phần trăm tổng lượng tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tạo ra lượng khí thải CO2 đáng kể.

 

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus hiện đã xác định được những thay đổi nhỏ ở thụ thể thực vật khiến chúng tạm thời tắt hệ thống miễn dịch phòng vệ và chuyển sang thiết lập mối quan hệ hợp tác với vi khuẩn cố định nitơ. Thực vật dựa vào các thụ thể trên bề mặt tế bào để cảm nhận các tín hiệu hóa học từ vi sinh vật trong đất. Một số vi khuẩn giải phóng các hợp chất cảnh báo cây rằng chúng là "kẻ thù", kính hoạt hành động phòng vệ của cây. Ngược lại, những vi khuẩn khác báo hiệu rằng chúng là "bạn" có thể cung cấp chất dinh dưỡng.

Các loại cây họ đậu như đậu Hà Lan, đậu và cỏ linh lăng cho phép các vi khuẩn chuyên biệt xâm nhập vào rễ của chúng. Bên trong các mô rễ này, vi khuẩn chuyển hóa nitơ khí quyển và chia sẻ nó với cây. Mối quan hệ công sinh này giải thích lý do tại sao các loại cây họ đậu có thể phát triển mà không cần phân bón nhân tạo.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus đã phát hiện ra rằng khả năng này bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi chỉ hai axit amin, hoạt động như những "khối xây dựng" nhỏ bên trong một loại protein rễ. "Đây là một phát hiện đáng chú ý và quan trọng," Simona Radutoiu cho biết. Protein rễ hoạt động như một "thụ thể" đọc tín hiệu từ vi khuẩn. Nó quyết định xem cây nên kích hoạt hệ thống miễn dịch của mình (báo động) hay chấp nhận vi khuẩn (cộng sinh).

Nhóm nghiên cứu đã xác định một vùng nhỏ trong protein thụ thể và đặt tên là Symbiosis Determinant 1. Vùng này hoạt động như một công tắc điều khiển tín hiệu nội bào mà cây nhận được. Bằng cách sửa đổi chỉ hai axit amin trong “công tắc” này, các nhà nghiên cứu đã biến một thụ thể thường kích hoạt miễn dịch thành thụ thể khởi phát quá trình cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm. "Chúng tôi đã chứng minh rằng chỉ hai thay đổi nhỏ có thể khiến cây thay đổi hành vi của chúng ở một điểm then chốt - từ việc từ chối vi khuẩn sang hợp tác với chúng," Radutoiu giải thích.

Các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tạo ra sự thay đổi này ở cây sen Nhật Bản (Lotus japonicus). Sau đó, họ thử nghiệm ý tưởng này trên cây lúa mạch và phát hiện ra rằng cơ chế này cũng hoạt động. "Thật đáng kinh ngạc khi giờ đây chúng ta có thể lấy một thụ thể từ lúa mạch, thực hiện những thay đổi nhỏ trong đó, và sau đó quá trình cố định nitơ lại có thể diễn ra," Kasper Røjkjær Andersen cho biết.

Tiềm năng lâu dài là rất lớn. Nếu những chỉnh sửa này có thể được áp dụng cho các loại ngũ cốc khác, tương lai có thể tạo ra các giống lúa mì, ngô hoặc gạo có khả năng tự cố định nitơ cho chúng, tương tự như các loại cây họ đậu. "Nhưng trước tiên chúng ta phải tìm ra những “chìa khoá” thiết yếu khác," Radutoiu lưu ý. "Hiện nay chỉ có rất ít cây trồng có khả năng cộng sinh. Nếu chúng ta có thể mở rộng điều đó sang các loại cây trồng phổ biến, nó thực sự có thể tạo ra sự khác biệt lớn về lượng nitơ cần sử dụng."

 

Nguồn: Sciencedaily.com