Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Một nghiên cứu mới cho thấy, vi khuẩn Rhizobia có thể cố định nitơ khi cộng sinh với tảo cát biển, đây là một khám phá có thể có ý nghĩa quan trọng đối với nông nghiệp và hệ sinh thái biển.
 
Nitơ là thành phần thiết yếu của mọi sinh vật sống. Nó cũng là yếu tố then chốt kiểm soát sự phát triển của cây trồng trên đất liền, cũng như các loài thực vật cực nhỏ dưới biển, tạo ra một nửa lượng oxy trên hành tinh của chúng ta.
 
Cho đến nay, khí nitơ trong khí quyển là nguồn nitơ lớn nhất nhưng thực vật không thể chuyển hóa nó thành dạng có thể sử dụng được. Thay vào đó, các loại cây trồng như đậu nành, đậu Hà Lan và cỏ linh lăng (gọi chung là cây họ đậu) có các vi khuẩn Rhizobial để “cố định” nitơ trong khí quyển thành amoni. Sự hợp tác này làm cho cây họ đậu trở thành một trong những nguồn protein quan trọng nhất trong sản xuất thực phẩm.
 
Các nhà khoa học từ Viện Vi sinh vật biển Max Planck ở Bremen, Đức báo cáo rằng, Rhizobia cũng có thể hình thành mối quan hệ tương tự với các loài thực vật biển nhỏ bé gọi là tảo cát – một khám phá giúp giải đáp bí ẩn biển lâu đời và có tiềm năng ứng dụng sâu rộng vào nông nghiệp (hình 1).
 
Chất cố định nitơ bí ẩn trong tảo cát biển

Trong nhiều năm, người ta cho rằng, hầu hết quá trình cố định đạm trong đại dương được thực hiện bởi các sinh vật quang hợp gọi là vi khuẩn lam. Tuy nhiên, ở những khu vực rộng lớn của đại dương không có đủ vi khuẩn lam để đo được khả năng cố định đạm. Do đó, một cuộc tranh cãi đã nổ ra, nhiều nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng các vi sinh vật không phải vi khuẩn lam phải chịu trách nhiệm cho việc cố định nitơ “bị thiếu”.

Marcel Kuypers, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Trong nhiều năm, chúng tôi đã tìm thấy các đoạn gen mã hóa enzyme nitơase cố định đạm, dường như thuộc về một chất cố định nitơ mà không phải vi khuẩn lam”. “Tuy nhiên, chúng tôi không thể tìm ra chính xác sinh vật bí ẩn đó là gì và do đó không biết liệu nó có quan trọng đối với quá trình cố định đạm hay không”.
   
Vào năm 2020, các nhà khoa học đã đi từ Bremen đến vùng nhiệt đới Bắc Đại Tây Dương để tham gia chuyến thám hiểm có sự tham gia của hai tàu nghiên cứu của Đức. Họ đã thu thập hàng trăm lít nước biển từ khu vực, nơi phần lớn diễn ra quá trình cố định nitơ biển trên toàn cầu, với hy vọng xác định và định lượng được tầm quan trọng của chất cố định nitơ bí ẩn. Phải mất ba năm tiếp theo họ mới giải mã được bộ gen của nó.

Bernhard Tschischko, tác giả đầu tiên của nghiên cứu và là chuyên gia về tin sinh học, cho biết: “Đó là một công việc kéo dài và tốn nhiều công sức, nhưng cuối cùng, bộ gen đã giải quyết được nhiều điều bí ẩn”. Đầu tiên là nhận dạng sinh vật. Tschitschko giải thích: “Mặc dù, chúng tôi biết rằng gen nitơase có nguồn gốc từ một loại vi khuẩn liên quan đến Vibrio, nhưng thật bất ngờ, bản thân sinh vật này lại có quan hệ gần gũi với Rhizobia sống cộng sinh với cây họ đậu”. Cùng với bộ gen nhỏ đáng ngạc nhiên của nó, điều này làm tăng khả năng Rhizobia ở biển có thể là sinh vật cộng sinh.

Sự cộng sinh đầu tiên của loài này được biết đến

Từ những khám phá này, các tác giả đã phát triển một thiết bị thăm dò di truyền có thể được sử dụng để đánh dấu huỳnh quang cho Rhizobia. Khi họ áp dụng nó vào các mẫu nước biển ban đầu được thu thập từ Bắc Đại Tây Dương, những nghi ngờ của họ về việc nó là sinh vật cộng sinh đã nhanh chóng được xác nhận. Kuypers cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy các bộ bốn Rhizobia, luôn ở cùng một vị trí bên trong tảo cát. “Thật thú vị vì đây là sự cộng sinh đầu tiên được biết đến giữa tảo cát và sinh vật cố định nitơ không phải vi khuẩn lam”.

Các nhà khoa học đặt tên cho loài cộng sinh mới được phát hiện là Candidatus Tectiglobus diatomicola. Cuối cùng, sau khi tìm ra danh tính của chất cố định đạm còn thiếu, họ tập trung vào việc tìm hiểu xem vi khuẩn và tảo cát phối hợp với nhau như thế nào. Bằng cách sử dụng công nghệ nanoSIMS, họ có thể chứng minh rằng Rhizobia trao đổi nitơ cố định với tảo cát để đổi lấy carbon.

Wiebke Mohr, một trong những nhà khoa học trên bài báo giải thích: “Để hỗ trợ sự phát triển của tảo cát, vi khuẩn cố định lượng nitơ nhiều gấp 100 lần so với nhu cầu của chính nó”.
   Vai trò quan trọng trong việc duy trì năng suất biển

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu quay trở lại đại dương để khám phá mức độ lan rộng của sự cộng sinh mới trong môi trường. Hóa ra mối quan hệ đối tác mới được phát hiện này được tìm thấy trên khắp các đại dương trên thế giới, đặc biệt là ở những khu vực hiếm vi khuẩn lam tham gia quá trình cố định nitơ. Do đó, những sinh vật nhỏ bé này có thể đóng vai trò chính trong quá trình cố định nitơ tổng thể của đại dương và do đó đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì năng suất biển và sự hấp thụ carbon dioxide toàn cầu của đại dương.

Một ứng cử viên quan trọng cho kỹ thuật nông nghiệp?

Ngoài tầm quan trọng của nó đối với việc cố định nitơ trong đại dương, việc phát hiện ra sự cộng sinh còn gợi ý những cơ hội thú vị khác trong tương lai. Kuypers đặc biệt hào hứng với ý nghĩa của phát hiện này từ góc độ tiến hóa.

“Sự thích nghi tiến hóa của Ca. T. diatomicola rất giống với vi khuẩn lam nội cộng sinh UCYN-A, có chức năng như một cơ quan cố định đạm ở giai đoạn đầu. Vì vậy, thật hấp dẫn khi suy đoán rằng Ca. T. diatomicola và vật chủ tảo cát biển cũng có thể đang ở giai đoạn đầu để trở thành một sinh vật duy nhất.”

Tschitschko đồng ý rằng, đặc điểm nhận dạng và bản chất giống cơ quan của sinh vật cộng sinh là đặc biệt hấp dẫn. “Cho đến nay, các cơ quan như vậy chỉ được chứng minh là có nguồn gốc từ vi khuẩn lam, nhưng ý nghĩa của việc tìm thấy chúng trong số các loài Rhizobiales là rất thú vị, vì những vi khuẩn này là vô cùng quan trọng đối với nông nghiệp. Kích thước nhỏ và bản chất giống bào quan của Rhizobiales ở biển cho thấy nó có thể là ứng cử viên chủ chốt để tạo ra các nhà máy cố định đạm vào một ngày nào đó.”

Các nhà khoa học bây giờ sẽ tiếp tục nghiên cứu sự cộng sinh mới được phát hiện và xem liệu nó có tồn tại nhiều hơn trong các đại dương hay không.
 
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Viện Vi sinh vật biển Max Planck . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
Tạp chí tham khảo:

1. Bernhard Tschitschko, Mertcan Esti, Miriam Philippi, Abiel T. Kidane, Sten Littmann, Katharina Kitzinger, Daan R. Speth, Shengjie Li, Alexandra Kraberg, Daniela Tienken, Hannah K. Marchant, Boran Kartal, Jana Milucka, Wiebke Mohr, Marcel M. M. Kuypers. Rhizobia–diatom symbiosis fixes missing nitrogen in the ocean. Nature, 2024; DOI: 10.1038/s41586-024-07495-w

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/05/240509124708.htm