Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã chứng minh rằng hormone thực vật gibberellin (GA) rất cần thiết cho sự hình thành và phát triển các nốt rễ cố định nitơ ở cây họ đậu.

Họ xác định thời điểm và vị trí cụ thể mà GA chi phối sự hình thành, tăng trưởng và chức năng của các nốt rễ. Những phát hiện này cho thấy GA vừa gây ức chế, vừa cần thiết cho sự hình thành nốt rễ bằng cách xác định chính xác các vùng mà GA tác động. Các loại cây ngũ cốc như lúa mì, bắp và lúa là những loại cây trồng cần nhiều nitơ và phụ thuộc rất nhiều vào phân bón tổng hợp để đáp ứng nhu cầu này. Tuy nhiên, việc sản xuất phân bón nitơ tổng hợp cần nhiều nhiên liệu, tốn kém và gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm nước.

Không giống như ngũ cốc, các loại cây họ đậu có thể tự cung cấp nitơ thông qua mối quan hệ cộng sinh tự nhiên với vi khuẩn cố định nitơ, hình thành các cơ quan có nguồn gốc từ rễ gọi là nốt sần. Khả năng cố định nitơ này cũng làm tăng hàm lượng protein trong các loại cây họ đậu, khiến chúng trở nên bổ dưỡng hơn. Tuy nhiên, các loại cây họ đậu ngừng tạo ra nốt sần khi đất có nồng độ nitơ cao và dẫn đến giảm năng suất.

Các nhà khoa học trên thế giới đang nghiên cứu cách vừa tăng năng suất cây họ đậu vừa chuyển khả năng cố định đạm từ cây họ đậu sang ngũ cốc, nhưng điều này liên quan đến việc làm sáng tỏ và hiểu được các con đường di truyền và sinh hóa phức tạp liên quan đến sự hình thành nốt sần và cố định nitơ.

Trong nghiên cứu được công bố trên Tạp chí The Plant Cell, nhóm nghiên cứu của Tiến sĩ Alexander Jones tại Phòng thí nghiệm Sainsbury thuộc Đại học Cambridge (SLCU) và nhóm của Giáo sư Giles Oldroyd tại Trung tâm Khoa học Cây trồng đã có bước tiến lớn hướng tới mục tiêu này bằng cách chỉ ra vai trò của GA tác động đến sự phát triển, hình thái và chức năng của các nốt sần cố định nitơ. Tiến sĩ Jones cho biết: "Có một số báo cáo gây nhầm lẫn và mâu thuẫn về chức năng của GA đối với việc hình thành nốt sần. Các thí nghiệm cho thấy việc bổ sung GA làm giảm số lượng nốt sần và loại bỏ GA làm tăng số lượng nốt sần ở các cây họ đậu như Medicago truncatula, điều này cho thấy GA ức chế hình thành nốt sần. Tuy nhiên, đối với đậu Hà Lan, việc giảm nồng độ GA tỷ lệ thuận với giảm số lượng nốt sần, điều này cho thấy GA có thể cần thiết cho sự hình thành nốt sần”.

Tiến sĩ Colleen Drapek đã sử dụng cảm biến sinh học thế hệ mới có độ nhạy cao (nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2), được phát triển tại Jones Group) để xác định chính xác vị trí, thời điểm GA hiện diện và nồng độ tương đối của nó. Bà phát hiện GA tích tụ tại vùng nguyên phát nốt sần (vùng trong vỏ rễ nơi các tế bào bắt đầu phân chia trong giai đoạn đầu hình thành nốt sần) ở Medicago bị nhiễm vi khuẩn rhizobium. Tiến sĩ Drapek cho biết: "Ngay từ khi bắt đầu hình thành nốt sần, bắt đầu thấy sự tích tụ GA tại vùng nguyên phát nốt, nhưng rất ít GA ở bất kỳ nơi nào khác trong rễ. Khi nốt sần phát triển hơn nữa, GA tích tụ ở nồng độ khá cao và duy trì ở mức cao trong nốt sần trưởng thành".

Tiến sĩ Drapek đã sử dụng GA và các đột biến Medicago cộng sinh để kiểm tra thêm vai trò của GA bằng cách nhắm mục tiêu vào sự biểu hiện quá mức của các enzyme phân hủy GA hoặc tổng hợp GA. Kết quả cho thấy, đối với enzyme phân hủy GA không có nốt sần nào được hình thành, còn đối với enzyme tổng hợp GA các nốt sần lớn hơn. "Điều này cho thấy GA rất quan trọng đối với việc hình thành nốt sần, nhưng chỉ có tác dụng với các vùng nguyên phát nốt sần, chứ không phải các vùng xung quanh. Nồng độ GA thấp tạo điều kiện tốt cho sự nhiễm vi khuẩn rhizobium vào rễ, nhưng sau đó cần bổ sung GA để quá trình hình thành nốt sần diễn ra và để nốt sần trưởng thành."

Nghiên cứu trước đây do tiến sĩ Katharina Schiessl thực hiện tại SLCU đã cho thấy rằng có sự chồng lắp trong chương trình phát triển mà thực vật sử dụng để tạo rễ bên và nốt sần cố định đạm. Giáo sư Oldroyd cho biết: "Những phát hiện mới này cho thấy sự tích tụ GA trong rễ là đặc trưng cho sự phát triển của nốt sần và do đó có thể là một sự chuyển đổi quan trọng cho sự phát triển chuyên biệt nốt sần. Đây là những hiểu biết cần thiết cho chúng ta trong việc cố gắng chuyển khả năng cố định đạm sang các loại cây trồng khác như khoai mì và ngũ cốc."

Nguồn: Sciencedaily.com