CÁC NHÀ KHOA HỌC CỦA BTI LÀM SÁNG TỎ MỐI QUAN HỆ CỘNG SINH CỔ XƯA GIỮA THỰC VẬT VÀ NẤM Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ

Trong khoảng 450 triệu năm, thực vật và nấm trong đất đã duy trì mối cộng sinh rất lâu đời. Nấm len lỏi qua rễ cây để vận chuyển phốt pho và các khoáng chất từ đất cho cây, và đổi lại nhận đường và chất béo do cây tạo ra từ quang hợp. Sự hợp tác lâu đời này hỗ trợ khoảng 80% các loài thực vật trên Trái đất - bao gồm ngô, lúa mì và các loại cây trồng khác nuôi sống hàng tỷ người.

Các nhà khoa học từ lâu đã hiểu rằng những mối quan hệ cộng sinh này rất quan trọng đối với nông nghiệp. Điều mà họ chưa hiểu rõ là chính xác cách thức thực vật và nấm phối hợp ở cấp độ phân tử để xây dựng và duy trì mối quan hệ đó.

Giờ đây, một nhóm nghiên cứu từ Viện Boyce Thompson (BTI), do giáo sư Maria Harrison dẫn đầu, đã kết hợp hai công cụ mạnh mẽ cho phép các nhà khoa học xác định những protein nào hoạt động cùng nhau để tạo nên các mối quan hệ hợp tác này - và xác minh những tương tác đó trong rễ cây sống, nơi sự hợp tác thực sự diễn ra.

Thách thức nghiên cứu

Protein là các “cỗ máy phân tử” đảm nhiệm hầu hết các chức năng sinh học trong tế bào sống. Để mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và nấm được hình thành và duy trì, các protein đặc hiệu phải tương tác vật lý và phối hợp hoạt động với nhau. Tuy nhiên, việc xác định protein nào tương tác với protein nào gặp nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật, do các tế bào chuyên biệt – nơi diễn ra sự trao đổi giữa thực vật và nấm – xuất hiện với tần suất rất thấp, chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng mô rễ.

“Trong nhiều năm qua, chúng tôi đã biết rằng một số protein là yếu tố thiết yếu cho sự hình thành mối quan hệ cộng sinh này, nhưng chưa thể quan sát được chúng tương tác và phối hợp với những protein nào”, Harrison đã cho biết. “Những công cụ mới này cho phép chúng tôi đặt ra và trả lời các câu hỏi đó ngay trong chính những tế bào nơi mối quan hệ cộng sinh thực sự diễn ra”.

Hai công cụ nghiên cứu mới

Trong thời gian làm nghiên cứu sinh sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm của Harrison, Sergey Ivanov, Lena Müller và François Lefèvre đã kết hợp và điều chỉnh một cặp phương pháp bổ sung cho nhau. Đầu tiên, họ tạo ra một thư viện protein thực vật và nấm. Những protein này được sử dụng trong một hệ thống sàng lọc trên tế bào nấm men, kiểm tra protein cần nghiên cứu về mối liên hệ của nó với hàng ngàn đối tác tiềm năng, với kết quả được đọc thông qua giải trình tự DNA. Có thể hình dung nó như một dịch vụ “kết nối” tốc độ cao dành cho protein.

Công cụ thứ hai – được cải biên từ một phương pháp sinh học phân tử đã được sử dụng rộng rãi – cho phép protein phát huỳnh quang chỉ khi chúng tiếp xúc trực tiếp với nhau trong tế bào rễ thực vật. Phương pháp dựa trên tín hiệu huỳnh quang này giúp xác nhận rằng các tương tác protein được phát hiện trong nấm thực sự xảy ra trong cây sống, và quan trọng hơn là diễn ra đúng vị trí sinh học tại vùng màng tế bào chuyên biệt – “nơi trao đổi” – nơi các chất dinh dưỡng được vận chuyển giữa thực vật và nấm.

“Theo tôi, điểm ưu việt của việc kết hợp hai phương pháp này là chúng tôi có thể sàng lọc trên diện rộng để xác định các protein ứng viên, sau đó kiểm chứng liệu những tương tác đó có thực sự xảy ra đúng vị trí hay không”, Ivanov, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Bước thứ hai này – xác nhận trong rễ cây sống, tại đúng loại tế bào và đúng không gian bên trong tế bào – từ lâu đã là nút thắt kỹ thuật của lĩnh vực nghiên cứu cộng sinh thực vật - nấm”.

Bằng chứng về ý tưởng

Để chứng minh rằng các công cụ của họ hoạt động hiệu quả, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu một loại protein có tên là CKL2, mà các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra là rất cần thiết cho mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và nấm. Nếu thiếu CKL2, mối quan hệ này sẽ không phát triển đúng cách.

Quá trình sàng lọc cho thấy các đối tác hàng đầu của CKL2 thuộc về một họ protein gọi là 14-3-3 - các phân tử được biết đến là có khả năng kết nối các protein khác và điều chỉnh các quá trình tế bào quan trọng. Thử nghiệm huỳnh quang đã xác nhận rằng các protein này tương tác tại màng quanh cành cây, ranh giới chuyên biệt nơi thực vật và nấm trao đổi chất dinh dưỡng.

Khi các nhà nghiên cứu giảm mức độ protein 14-3-3 trong tế bào thực vật, sự xâm chiếm của nấm giảm khoảng 31%, cho thấy rằng các protein này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì mối quan hệ cộng sinh.

Ý nghĩa đối với nông nghiệp

Hiểu rõ cách thức thực vật và nấm phối hợp mối quan hệ cộng sinh ở cấp độ phân tử cung cấp cho các nhà nghiên cứu và nhà lai tạo giống cây trồng những mục tiêu để phát triển các giống cây trồng tạo ra mối quan hệ cộng sinh hiệu quả hơn. Các loại cây trồng hấp thụ phốt pho và các chất dinh dưỡng khác hiệu quả hơn thông qua mối quan hệ cộng sinh với nấm sẽ cần ít phân bón tổng hợp hơn - giảm chi phí đầu vào cho nông dân đồng thời giảm lượng phân bón thất thoát.

Nhóm nghiên cứu đang cung cấp những nguồn tài nguyên này cho cộng đồng khoa học rộng lớn hơn, cung cấp cho các phòng thí nghiệm khác các công cụ để nghiên cứu thêm các protein thiết yếu cho sự hợp tác sinh học quan trọng và phổ biến trong nông nghiệp này.

“Giờ đây chúng ta có thể xác định một cách có hệ thống những protein nào kiểm soát sự trao đổi chất dinh dưỡng và xác minh sự tương tác của chúng trong rễ sống”, Harrison cho biết. Ngoài việc cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng, mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và nấm này cũng giúp tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng trước bệnh hại và các tác động từ môi trường.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí New Phytologist và được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ và Quỹ TRIAD.

Đỗ Thị Nhạn theo Viện Boyce Thompson.