Các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu Nhân giống Thực vật Max Planck, ở Cologne, hợp tác với một nhóm nhà nghiên cứu quốc tế, vừa xác định các chiến lược hóa học tự nhiên mà vi khuẩn sử dụng để loại bỏ các đối thủ cạnh tranh và tăng nhanh về số lượng trên thực vật. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí PNAS.

Ảnh: Các hệ vi sinh vật cư trú ở vùng rễ.

Trong những năm gần đây, hệ vi sinh vật – các quần xã vi sinh vật chủ yếu bao gồm vi khuẩn và nấm được tìm thấy ở hầu hết các sinh vật nhân chuẩn gồm cả con người, động vật và thực vật đã được chú trọng do những đóng góp của chúng cho sức khỏe và sự sinh trưởng của vật chủ nhân chuẩn.

Cụ thể, hệ vi sinh vật vùng rễ cây trồng trong đất được chứng minh là rất quan trọng đối với dinh dưỡng khoáng của cây trồng, bảo vệ cây khỏi các tác nhân gây bệnh và chống lại các ức chế bởi yếu tố phi sinh học chẳng hạn như hạn hán. Việc xác định các nguyên tắc làm cơ sở cho sự thiết lập các quần xã vi sinh vật là chìa khóa cho việc xâm nhập có kiểm soát vào hệ vi sinh vật để nhằm tăng lợi ích của chúng đối với cây chủ. Các nhà nghiên cứu đã xác định các tín hiệu môi trường cũng như thực vật ảnh hưởng đến việc thiết lập hệ vi sinh vật vùng rễ cây trồng. Nhưng tầm quan trọng trong sự cạnh tranh giữa các hệ vi sinh vật với nhau trong quá trình này vẫn còn khó hiểu.

Vào năm 1928, Alexander Flemming đã công bố sự kháng kháng sinh qua trung gian giữa hai vi sinh vật trong điều kiện phòng thí nghiệm và nhờ đó phát hiện ra Penicillin. Tương tự như vậy, việc sản xuất các phân tử có hoạt tính ức chế của các vi sinh vật cư trú trong đất và vi sinh vật vùng rễ cây trồng để ức chế vi sinh vật gây bệnh thực vật.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một bộ sưu tập các vi khuẩn được phân lập từ rễ cây Arabidopsis thaliana và xem xét khả năng tạo ra các phân tử có hoạt tính ức chế của chúng. Việc này giúp xác định một loài vi khuẩn, có tên Pseudomonas brassicacearum, loài vi khuẩn này có hoạt tính ức chế cao bất thường đối với các vi khuẩn khác trong hệ vi khuẩn vùng rễ. Các nhà khoa học phát hiện rằng hoạt động này được thực hiện thông qua hai phân tử phối hợp hoạt động để loại bỏ các vi sinh vật cạnh tranh. Phân tử thứ nhất là một loại kháng sinh 2,4-diacetylphloroglucinol, trong khi phân tử thứ hai có chức năng loại bỏ sắt vi lượng cần thiết.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các đột biến Pseudomonas brassicacearum được thiết kế để ngăn chặn việc tổng hợp hai phân tử này và kiểm tra xem chúng có liên quan đến việc cư trú ở rễ khi có sự hiện diện của các vi khuẩn cạnh tranh khác hay không. Để kiểm tra giả thuyết này, họ đã phục hồi rễ của cây Arabidopsis thaliana với một quần xã vi khuẩn được đơn giản hóa chỉ có sự hiện diện của chủng Pseudomonas brassicacearum đột biến hoặc các chủng hoang dại. Nhóm nghiên cứu quốc tế đã chỉ ra rằng hai hóa chất tự nhiên này được tổng hợp từ một loài vi khuẩn, không chỉ ảnh hưởng đến cấu trúc của hệ vi khuẩn vùng rễ mà còn mang lại lợi thế cho Pseudomonas brassicacearum trong việc cư trú và chiếm ưu thế ở hốc rễ.

Công việc này ủng hộ tầm quan trọng của chiến tranh hóa học giữa các vi khuẩn trong việc cư trú thành công ở cây chủ. Kết luận cũng có hàm ý cho sự phát triển của sinh học trong nông nghiệp vì họ dự đoán các hoạt động ức chế được quan sát trong điều kiện đơn giản của phòng thí nghiệm có thể thiết lập trên đồng ruộng.

“Thật ngạc nhiên khi biết cách các hợp chất hóa học được tổng hợp bởi các vi khuẩn trong tự nhiên có thể tạo thành hệ vi khuẩn mang nhiều lợi ích cho cây chủ”, Paul Schulze-Lefert bày tỏ.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Viện Max Planck.