Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế từ Viện Nghiên cứu Giống cây trồng Max Planck (MPIPZ) và Đại học Åarhus, Đan Mạch đã phát hiện ra rằng hệ vi sinh vật thực vật thích nghi với cây chủ bản địa của chúng. Trong một nghiên cứu mới được công bố, vi sinh vật vùng rễ có lợi thế cạnh tranh khi xâm chiếm cây chủ bản địa, điều này cho phép chúng xâm nhập vào một hệ vi sinh vật đã được thiết lập sẵn.

Thực vật, bao gồm các loại cây trồng như lúa và lúa mì, dự trữ nước và các chất dinh dưỡng khoáng cần thiết thông qua hệ rễ của chúng, là nơi tạo nên một tương tác quan trọng giữa thực vật và môi trường đất. Rễ của cây trồng trên cạn liên kết với nhiều loại vi sinh vật - bao gồm cả vi khuẩn - được tuyển chọn trong môi trường đất và tập hợp thành các cộng đồng được gọi là hệ vi sinh vật vùng rễ. Hệ vi sinh vật này được duy trì bởi cây chủ, cung cấp chất dinh dưỡng cho chúng, chủ yếu ở dạng các hợp chất cacbon hữu cơ do rễ tiết ra. Đổi lại, hệ vi sinh vật này làm trung gian cho nhiều hoạt động có ích cho cây chủ, chẳng hạn như cung cấp khả năng bảo vệ chống lại mầm bệnh, cải thiện sự hấp thu chất dinh dưỡng từ đất và tác động tích cực đến sự tăng trưởng.

Với tầm quan trọng của hệ vi sinh vật vùng rễ đối với sức khỏe thực vật, việc nghiên cứu hệ vi sinh vật vùng rễ đã phát triển thành một lĩnh vực nghiên cứu đầy hứa hẹn nhằm mục đích tìm hiểu những tương tác này xảy ra như thế nào và cuối cùng chúng có thể giúp tăng năng suất và khả năng phục hồi của cây trồng hay không. Mặc dù ai cũng biết rằng thực vật tiết ra các phân tử nhỏ đa dạng vào đất thông qua rễ của chúng, đóng vai trò như chất hóa trị cho sự xâm nhập vào rễ bởi một tập hợp hệ vi sinh vật sống trong đất, mức độ chọn lọc tích cực được thực hiện bởi cây chủ và mức độ liên kết của chúng với rễ, tuy nhiên các hệ vi sinh vật này thích nghi với các loài thực vật cụ thể như thế nào thì phần lớn vẫn chưa được biết đến. Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Microbiology, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Khoa Tương tác giữa thực vật và vi sinh vật tại MPIPZ ở Cologne, Đức và Đại học Århus ở Đan Mạch đã tìm hiểu sâu hơn về những tương tác phức tạp này.

Bước đầu tiên trong nghiên cứu này, họ đã thiết lập một bộ sưu tập toàn diện các vi khuẩn có nguồn gốc từ rễ cây họ đậu Lotus japonicus, trong đó có một tỷ lệ nhỏ là vi khuẩn cộng sinh cố định nitơ trong khí quyển để cây phát triển. Cùng với bộ sưu tập các chủng vi khuẩn đã được chọn lọc từ rễ của cây họ cải Arabidopsis thaliana, hệ vi sinh vật tổng hợp (SynComs) đã được thiết kế để khám phá hệ vi sinh vật của các loài thực vật khác nhau. Mặc dù hệ vi sinh vật của hai loài thực vật tương tự nhau, nhưng các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy có sự ưa thích rõ rệt của những vi khuẩn này đối với cây chủ bản địa của chúng. Sự ưa thích này thông qua khả năng cạnh tranh cao hơn được hiển thị bởi nhiều loài vi khuẩn khi xâm chiếm cây chủ gốc của chúng so với những loài ban đầu được phân lập từ cây chủ khác.

Cây họ đậu Lotus Japonicus và cây họ thập tự Arabidopsis Thaliana.

Đáng chú ý, sự ưa thích ký chủ chỉ được quan sát thấy trong bối cảnh cộng đồng, nơi các vi khuẩn khác nhau cạnh tranh lẫn nhau. Phân tích biểu hiện gen của cả hai loài thực vật khi tương tác với các hệ vi sinh vật tổng hợp khác nhau cho thấy quá trình này có một phần do cây chủ điều khiển. Điều hấp dẫn là sự xâm chiếm rễ của các hệ vi sinh vật SynComs có nguồn gốc và không có nguồn gốc tự nhiên đã thể hiện các biểu hiện gen tương phản đối với một số cơ quan điều hòa miễn dịch thực vật đã được biết đến. Dựa trên quan sát này, các tác giả đưa ra giả thuyết rằng các chủng vi sinh vật bản địa có lợi thế cạnh tranh khi xâm chiếm rễ của cây ký chủ tương ứng của chúng thông qua việc hình thành các hốc ký chủ đặc trưng cho loài. Để kiểm tra giả thuyết này, các nhà khoa học đã thực hiện một loạt các thí nghiệm phức tạp, trong đó các SynComs từ các loài cây chủ khác nhau được phép xâm nhập vào các cộng đồng hệ vi sinh vật vùng rễ đã được thiết lập ở cây chủ và cây không phải cây chủ. Kết quả của họ cho thấy SynComs bản địa có lợi thế cạnh tranh khi xâm nhập vào một hệ vi sinh vật đã được thiết lập sẵn trong cây chủ của chúng, điều này cho thấy rằng sự thích nghi của vi khuẩn commensal với các loài thực vật bản địa của chúng dẫn đến sự xâm lấn và tồn tại của chúng tăng lên.

Theo Kathrin Wippel, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, họ đã rất ngạc nhiên khi biết rằng sự xâm lấn rễ của các SynComs bản địa và không bản địa dẫn đến việc tái lập trình phiên mã khác nhau của rễ cây, có thể góp phần hình thành các hốc rễ cụ thể cho vi khuẩn commensal bản địa. Những phát hiện này chỉ ra rằng các vi khuẩn sống trong đất đa dạng liên kết và ưa thích một loại cây ký chủ cụ thể, tương tự như mầm bệnh hoặc các loài cộng sinh có lợi của thực vật. Những phát hiện này có thể có tác động có ý nghĩa đối với nông nghiệp, vì chúng làm nổi bật tầm quan trọng của khả năng cạnh tranh giữa các vi khuẩn khác nhau và tác động của sự ưa thích ký chủ đối với việc xâm chiếm rễ thành công. Chế phẩm sinh học được điều chỉnh cho phù hợp với cây trồng cụ thể với khả năng tăng cường xâm nhập và tồn tại trong các cộng đồng vi sinh vật thường trú có thể giúp khắc phục sự khác biệt về hiệu quả của các chế phẩm sinh học hiện đang được sử dụng trong nông nghiệp.

Mai Thanh Trúc theo Sciencedaily.