Bộ nhớ của vi sinh vật trong đất Kansas: Cách “legacy effects” ảnh hưởng đến năng suất của thực vật

Nhóm nghiên cứu của đại học Kansas đã phân tích đặc tính di truyền ở cả vi khuẩn và thực vật để hiểu rõ hơn cách những tác động từ các thế hệ trước hoạt động ở mức độ phân tử. Hình ảnh mặt cắt ngang rễ cây bắp trong nghiên cứu.

Một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Microbiology phân tích đất được lấy ở vùng Kansas để xác định tầm quan trọng của những tác động từ các thế hệ trước hay việc đất ở một địa điểm cụ thể bị ảnh hưởng bởi các vi khuẩn đã tiến hóa để thích ứng với khí hậu tại địa điểm đó trong nhiều năm như thế nào.

“Vi khuẩn, nấm và các vi sinh vật khác sống trong đất có những ảnh hưởng quan trọng đến những vấn đề khác như cô lập carbon, chuyển động dinh dưỡng và điều chúng tôi đặc biệt quan tâm nhất là những tác động từ các thế hệ trước lên thực vật”, Maggie Wagner -  phó giáo sư sinh thái học và sinh học tiến hóa tại đại học Kansas cho biết.

“Chúng tôi quan tâm đến việc này bởi vì trong nhiều năm nhiều nhà nghiên cứu khác đã mô tả loại ký ức sinh thái này của các vi sinh vật sống trong đất, làm cách nào để nhớ lại tổ tiên của chúng”, bà nói.

“Chúng tôi nghĩ điều này thật sự hấp dẫn. Nó có nhiều ứng dụng quan trọng cho việc canh tác bao gồm cả cây bắp và cây lúa mì. Bản thân lượng mưa cũng ảnh hưởng đáng kể đến sự phát triển của cây trồng nhưng ký ức của vi sinh vật sống trong những loại đất này cũng đóng một vai trò nào đó”.

Theo Wagner, mặc dù những tác động từ các thế hệ trước đã được báo cáo trước đây nhưng chưa được mô tả rõ ràng. Một sự hiểu biết tốt sẽ đem lại lợi ích cho nông dân và các công ty công nghệ sinh học nông nghiệp, những bên dựa vào nghiên cứu.

“Chúng tôi không thật sự hiểu những tác động từ các thế hệ trước hoạt động như thế nào”, bà nói. “Ví dụ loại vi khuẩn nào tham gia ở cấp độ di truyền và chúng hoạt động như thế nào. Những gen nào của vi khuẩn đang bị ảnh hưởng”.

Bằng cách thu thập mẫu đất ở 06 địa điểm khắp Kansas, từ nửa phía đông đất thấp, mưa nhiều hơn đến vùng đồng bằng đất cao ở phía tây của tiểu bang ít mưa hơn, các nhà nghiên cứu muốn xác định những sự khác biệt trong những tác động từ các thế hệ trước. 

“Đây là một sự hợp tác với một nhóm nghiên cứu của đại học Nottingham ở Anh”, Wagner nói. “Chúng tôi đã phân chia công việc nhưng phần lớn nghiên cứu này được thực hiện ở Đại học Kansas và chúng tôi tập trung vào các mẫu đất ở Kansas cho nghiên cứu này”.

Trở về đại học Kansas, Wagner và các cộng sự đã bắt đầu phân tích các mẫu đất để hiểu rõ hơn về những tác động từ các thế hệ trước của vi khuẩn trong các mẫu.

“Chúng tôi đã sử dụng một kỹ thuật truyền thống, xem vi khuẩn như một cái hộp đen”, bà nói. “Chúng tôi đã trồng cây trong các quần xã vi khuẩn khác nhau với các ký ức về mức độ hạn hán khác nhau và sau đó theo dõi năng suất của cây trồng để biết điều gì có lợi và điều gì không có lợi”.

Các nhà nghiên cứu đã thách thức những quần xã vi khuẩn trong 05 tháng với điều kiện lượng nước tưới dồi dào hoặc rất ít nước.

“Ngay cả sau hàng ngàn thế hệ vi khuẩn, ký ức về hạn hán đã vẫn được nhận thấy”, Wagner nói.

“Một trong những mặt thú vị nhất là chúng tôi đã nhận thấy những tác động từ các thế hệ trước ở những cây bản địa mạnh hơn những cây được đem từ nơi khác về trồng chứ không có nguồn gốc bản địa”.

Cần phải thử nghiệm trên nhiều giống cây trồng để xác nhận giả thuyết này, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm trên 01 giống cây trồng (cây bắp) và một giống thực vật bản địa (cỏ gamma), họ cũng cho biết những phát hiện này có thể cung cấp cho nhà nông những loài vi sinh vật có lợi để cải thiện năng suất cây trồng.

“Chúng tôi nghĩ rằng điều này có liên quan đến việc đồng tiến hóa của các loài thực vật nghĩa là trong một thời gian rất dài cỏ gama đã sống chung với các quần xã vi khuẩn này nhưng cây bắp thì không”, bà nói. “Cây bắp được thuần hóa ở vùng Trung Mỹ và được trồng ở khu vực này trong vài ngàn năm”.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng đã thực hiện việc phân tích di truyền trên cả vi sinh vật và thực vật để hiểu rõ hơn những tác động từ các thế hệ trước ở cấp độ phân tử.

“Gen khiến chúng tôi phấn kích nhất đó là nicotianamine synthase”, Wagner nói.

“Nó tạo ra một phân tử hữu ích để thực vật hấp thụ sắt từ đất nhưng cũng được ghi nhận ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn ở một số loài. Trong phân tích của chúng tôi, thực vật biểu hiện gen này ở các điều kiên hạn hán chỉ khi được trồng với các vi sinh vật có trí nhớ về điều kiện khô hạn. Phản ứng của thực vật với hạn hán phụ thuộc vào trí nhớ của vi sinh vật, điều kiến chúng tôi thú vị”.

Các nhà nghiên cứu ở đại học Kansas đang xem xét coi cỏ gama như một nguồn gen tiềm năng để cải thiện năng suất cây bắp trong điều kiện khắc nghiệt.

“Gen mà tôi đã đề cập đến trước đây có thể rất hữu ích”, bà nói. “Đối với các công ty công nghệ sinh học chuyên về việc bổ sung vi sinh vật vào cây trồng, điều này gợi ý về nơi tìm kiếm các vi sinh vật có những đặc tính hữu ích. Thương mại hóa vi sinh vật trong nông nghiệp là một ngành công nghiệp trị giá hàng tỷ đô la và vẫn đang phát triển”.

“Một trong những điều làm cho nghiên cứu này có giá trị là sự kết hợp nhiều phương pháp khác nhau”, Wagner nói. “Chúng tôi đã kết hợp cả phân tích di truyền, sinh lý thực vật và vi sinh vật học, cho phép chúng tôi đặt ra và trả lời những câu hỏi mà trước đây không thể giải quyết được”.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org