Cách hàng rào rễ bị phá vỡ để cho vi khuẩn có lợi xâm nhập vào thực vật

Nguồn: Pixabay/CC0 Public Domain.

Khi nói đến vi sinh vật, chúng ta thường nghĩ ngay đến hệ vi sinh vật đường ruột. Có một hệ vi sinh vật khác ít được nhắc đến nhưng cũng không kém phần quan trọng, đó là hệ vi sinh vật thực vật. Trong một bài báo đăng trên tạp chí Science, giáo sư Niko Geldner và nhóm nghiên cứu của ông ở đại học Lausanne (Unil) cho biết những sự hợp tác và cạnh tranh giữa vi khuẩn và rễ thực vật ẩn sâu trong đất.

Hệ vi sinh vật thực vật hay “phytobiome” là tập hợp các quần xã vi khuẩn và nấm, có thể là bạn đồng hành, đồng minh và đôi khi là kẻ thù. Phần liên hệ mật thiết nhất với rễ được gọi là "rhizospheric", theo tiếng Hy Lạp “rhizo” là rễ.

Để thiết lập một hệ vi sinh vật chuyên biệt và có chức năng bảo vệ, thực vật phải tuyển chọn những vi sinh vật này từ đất. Sự cân bằng của quần xã vi sinh vật này ảnh hưởng đến sự phát triển, sức khỏe và khả năng chịu đựng các điều kiện khắc nghiệt từ môi trường của thực vật. Khi thực vật bị suy yếu, một số vi khuẩn có thể trở thành mầm bệnh.

Dịch tiết từ rễ: Chìa khóa để tuyển chọn

Thực vật tuyển chọn các vi khuẩn có lợi đồng hành với mình như thế nào? Bằng cách tiết ra một hỗn hợp các phân tử được gọi là “dịch tiết từ rễ”. Những chất này chứa đường, axít amin và các hợp chất hữu cơ khác. Mặc dù người ta đã biết các hợp chất này rất quan trọng đối với các vi khuẩn xâm nhập nhưng vẫn còn rất ít kiến thức về cách tiết, vị trí và thời điểm mà dịch tiết được phóng thích ở cấp độ vi mô có liên quan đến vi sinh vật.

Đây chính là câu hỏi mà các nhà nghiên cứu ở Unil đặt ra để giải quyết vấn đề cùng với sự hợp tác của tiến sỹ Feng Zhou và các cộng sự người Đức.

Khi hàng rào bảo vệ bị phá vỡ

Giống như biểu mô ruột ở động vật, lớp nội bì ở rễ cây hoạt động như một dụng cụ lọc có chọn lọc, ngăn chặn sự phóng thích các hợp chất giàu năng lượng từ mạch vận chuyển trung tâm vào đất. Nhưng trong quá trình sinh trưởng của thực vật, hàng rào này có thể bị phá vỡ tạm thời. “Ví dụ khi một rễ bên mọc ra từ rễ chính, một phần của hàng rào sẽ bị phá vỡ để cho rễ mầm đi qua”, Niko Geldner - đồng tác giả của bài báo giải thích.

“Mặc dù hàng rào bị phá vỡ sẽ sớm được khắc phục nhưng cũng đã tạo ra một dòng chảy tạm thời. Sau đó, vi khuẩn sẽ tập trung và sinh sôi nảy nở tại vị trí này. Câu hỏi đặt ra là cái gì khiến vi khuẩn tập trung và sinh sôi ở các vị trí này?”

Từ đây, các nhà khoa học đặt ra giả thuyết, sự phá vỡ hàng rào nội bì ảnh hưởng đến sự chọn lọc vi sinh vật và thành phần các quần xã vi sinh vật.

Thách thức đặt ra là làm sao hiểu được cơ chế đằng sau hiện tượng này. Để làm được điều đó, người ta đã tạo các cây Arabidopsis thaliana (thale cress) bị đột biến không có hàng rào nội bì.

“Những quan sát của chúng tôi đã khẳng định các thay đổi trong hàng rào nội bì đã ảnh hưởng đến sự xâm nhập của vi khuẩn. Do đó, chúng tôi tự hỏi rằng liệu vi khuẩn có đặc biệt thích một hoặc nhiều chất được tiết ra hay không?”, Niko Geldner nói.

Sử dụng các cây Arabidopsis đột biến, các nhà nghiên cứu đã phát hiện có một lượng đáng kể axít amin, đặc biệt là glutamine trong dịch tiết.

Glutamine, một tín hiệu của vi khuẩn

Glutamine đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển nitơ từ rễ lên chồi và là yếu tố hàng đầu cho các nhà nghiên cứu.

Trong nhiều thập kỷ, nhóm nghiên cứu của giáo sư Christoph Keel đã nghiên cứu một loài vi khuẩn đặc biệt, Pseudomonas protegens CHA0, sinh trưởng tốt trên nhiều loài thực vật khác nhau, bao gồm cả rễ cây thale cress và có thể bảo vệ thực vật khỏi các bệnh do nấm gây ra. Để xem loài vi khuẩn này có bị thu hút bởi glutamine hay không, các nhà nghiên cứu đã làm biến đổi gen của chúng.

“Chúng tôi đã tạo ra các vi khuẩn mất khả năng cảm nhận glutamine. Điều thú vị là những vi khuẩn này không thể tìm ra được vị trí mà rễ bên đang mọc ra”, tiến sỹ Huei-Hsuan Tsai đồng tác giả của nghiên cứu cho biết.

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu cũng có thể quan sát được vi khuẩn đã sử dụng glutamine để sinh trưởng, bằng cách thiết lập một hệ thống báo cáo huỳnh quang chỉ bật khi glutamine được chuyển hóa. Vì thế, axit amin này như một tín hiệu chính cho phép vi khuẩn tìm thấy và xâm nhập ở vị trí mà glutamine được tiết ra trên bề mặt rễ một cách chính xác.

“Chúng tôi cũng đã chứng minh được rằng vi khuẩn thích nghi với việc trao đổi glutamine và sử dụng glutamine cho sự sinh trưởng và phát triển của chúng”, tiến sỹ Huei-Hsuan Tsai cho biết thêm.

Một thách thức cho nền nông nghiệp bền vững

Những phát hiện này đã chứng minh glutamine được tiết ra giúp định hình sự cư trú của vi khuẩn cũng như sự tương tác giữa rễ và vi khuẩn. Nhóm nghiên cứu của Geldner đang hướng tới việc xác định các hợp chất hấp dẫn khác, đặc biệt là những hợp chất được phóng thích ra trong các điều kiện khắc nghiệt như hạn hán, nhiễm mặn hay nhiệt độ cao.

Những khám phá này có được ứng dụng trong nông nghiệp vào thời điểm đang ưu tiên việc giảm phân bón và thuốc trừ sâu? “Đây là mơ ước của nhiều nhà nghiên cứu, vì mỗi loại đất có các vi sinh vật bản địa riêng, việc đảm bảo một chủng vi khuẩn bám vào rễ và bảo vệ cây trồng là một việc khó”, Niko Geldner cảnh báo. Cần có các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm để tìm ra các nguyên tắc chung về tương tác giữa rễ và vi khuẩn, sử dụng các quần xã vi khuẩn đơn giản.

“Sức khỏe của thực vật phụ thuộc vào hệ vi sinh vật của chúng. Nếu không hiểu rõ hơn về những tương tác giữa rễ và thực vật, chúng ta sẽ không hiểu được những gì xảy ra trên đồng ruộng của mình”, Niko Geldner nói.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org