Cách vi sinh vật đất giúp cây trồng chống lại mầm bệnh

Ngoài việc giúp cây trồng chống lại bệnh, các vi sinh vật trong đất còn kích thích sự phát triển của cây. Hai chậu bên tay phải được bổ sung các chủng nấm có ích khác nhau trong khi đó cây ở các chậu bên tay trái phát triển trong đất không được bổ sung các chủng nấm. Ảnh: Michael Kolomiets. 

Cây trồng không thể tự cô lập trong suốt thời gian bệnh bùng phát, nhưng chúng có thể nhận sự giúp đỡ từ một người bạn – các vi sinh vật có ích trong đất giúp cây ngăn ngừa hàng loạt dịch bệnh. Giờ đây, các nhà khoa học ở Texas A&M AgriLife đã phát hiện ra một phần chính của quá trình nấm có ích giúp cây bắp chống lại các tác nhân gây bệnh.

Các kết quả của nghiên cứu này đã được đăng trên The Plant Cell vào tháng 1. Trưởng nhóm nghiên cứu là tiến sỹ Michael Kolomiets, giáo sư về bệnh học thực vật và vi sinh vật tại Đại học Khoa học Nông nghiệp và Khoa học đời sống thuộc Đại học Texas. Những kết quả này đã làm sáng tỏ một khía cạnh bí ẩn của miễn dịch thực vật và cho phép nghiên cứu xa hơn trong tương lai nhằm tăng năng suất ngũ cốc.

Theo Kolomiets, chọn lọc và nhân giống kỹ lưỡng đã cải thiện chất lượng cây trồng trên khắp thế giới, dẫn đến năng suất cao hơn, khả năng kháng bệnh của cây cũng tốt hơn. Nhưng ngày nay, năng suất của cây không thể được cải thiện chỉ bằng chọn lọc di truyền, Những nghiên cứu hiện nay được tin là rất quan trọng cho chiến lược tiếp theo - chúng tôi gọi nó là “cách mạng nâu”, theo Kolomiets. “Chúng ta có thể nhận được sự giúp đỡ từ các vi sinh vật có ích cư trú trong đất”.

Vi sinh vật cư trú trong đất tạo ra “sức đề kháng cơ thể”

Vi khuẩn cư trú trong đất ảnh hưởng đến cây trồng một cách đáng kinh ngạc. Ví dụ, khi một cây bị nhiễm bệnh thì cây sẽ phát triển chậm lại. Nhưng khi một cây mà rễ của nó chứa các vi khuẩn có ích, nó có thể chống lại sâu bệnh trong khi vẫn duy trì sự phát triển bình thường.

Nấm Trichoderma trong đất, được nuôi cấy trên đĩa petri. Ảnh: Jim Taylor, sinh viên khoa Bệnh học thực vật và vi sinh vật họ, Đại học Texas A&M.

Những vi khuẩn cư trú trong đất này thêm vào toàn bộ cây trồng một loại bảo vệ đặc biệt. Khi có sự hiện diện của nhũng vi khuẩn này, cây trồng trải qua cái gọi là “sức đề kháng cơ thể”, một sự tăng cường miễn dịch giúp bảo vật cây trồng từ hàng loạt các tác nhân gây bệnh.

“Khi chúng tôi tạo ra một giống cây có khả năng kháng bệnh, chúng tôi thường cần phải xác định một gen đối kháng cho một chủng hoặc một nhóm các tác nhân gây bệnh”. Kolomiets nói. “Sức đề kháng cơ thể là một chiến lược tốt hơn vì nó có hiệu quả chống lại nhiều tác nhân gây bệnh”.

Với tất cả những lý do này, hiểu được sự tương tác giữa vi khuẩn và cây trồng sẽ có rất nhiều tiềm năng để cải thiện sức khỏe và năng suất cây trồng.

Chính xác vi sinh vật làm những gì?

Các nhà khoa học đã biết rằng ảnh hưởng của vi khuẩn đối với cây trồng có liên quan đến một loại hormone thực vật  được gọi là  axít jasmonic. Hormone này làm tăng sự bảo vệ cây trồng đối với các tác nhân gây bệnh nhưng cũng làm chậm sự phát triển của cây. Vì lý do này, các cây trồng sản sinh ra axít jasmonic chỉ trong một khoảng thời gian ngắn vào lúc cảm thấy stress, vì có một bước phạt tăng trưởng từ sự hiện diện tiếp theo của hormone này trong các mô thực vật.

Nấm có ích thường cư trú trên rễ cây - làm cho cây luôn tạo ra axít jasmonic, Kolomiets nói, “tôi luôn tự hỏi, nấm  có ích kích thích sự phát triển của cây như thế nào?”

Cấu trúc hóa học của axít jamonic. Ảnh: Đại học Texas A&M.

Đó là tất cả về nhựa cây

Để xem được những gì đang xảy ra bên trong cây ngô khi có và không có nấm, nhóm nghiên cứu đã thu thập nhựa của những cây ngô có nấm Trichoderma trong rễ của chúng. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu tiêm loại nhựa “mạnh” này vào các cây ngô không có nấm Trichoderma.

Họ cũng lặp lại thí nghiệm này với nhiều hơn hai giống ngô được phát hiện từ những nghiên cứu trước đây. Giống tự nhiên đầu tiên có khả năng miễn dịch mạnh hơn thậm chí khi không có sự hiện diện của nấm Trichoderma. Trái lại, giống thứ hai thì khả năng miễn dịch lại yếu hơn. Cuối cùng, họ lặp lại thí nghiệm với hai chủng nấm Trichoderma đột biến trước đây. Một chủng đột biến thì không làm tăng miễn dịch của cây ngô, còn chủng kia thì làm tăng mức độ miễn dịch của cây ngô ở mức cao hơn so với chủng tổ tiên hoang dại của nó.

Trong tất cả các trường hợp, khi nhựa được lấy từ các cây miễn dịch mạnh và được tiêm vào các cây bình thương hoặc miễn dịch yếu, nhựa cây này hoạt động như một vắc xin, làm cho những cây miễn dịch yếu cũng kháng được bệnh. Và khi nhựa từ cây yếu hơn được tiêm vào những cây có miễn dịch tăng cường, miễn dịch này cũng yếu đi.

Một chất khác với tổng các phần của nó

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã phân tích các chất chuyển hóa hoàn chỉnh trong cây từ mỗi thí nghiệm. Trong phân tích cuối cùng, hai hợp chất đã giải thích cho hiệu quả của nấm Trichoderma. Một hợp chất, 12-OPDA, là một khối cấu trúc quen thuộc cho axít jasmonic. Nhưng không giống axít jasmonic, chất này không hạn chế sự phát triển của cây trồng.

Ngoài ra, phân tích còn cho thấy nấm Trichoderma gửi các tín hiệu hóa học để kích thích cây trồng sản sinh 12-OPDA nhưng không khuyến khích cây sử dụng 12-OPDA để tạo axít jamonic.

Cấu trúc hóa học của 12-OPDA. Ảnh: Đại học Texas A&M.

“Người ta nghĩ rằng con đường gồm nhiều bước này là một sự kiện đơn. Nhưng hóa ra các sản phẩm trung gian cũng quan trọng như sản phẩm cuối cùng”, Kolomiets nói. Kết quả này đề nghị các nhà chọn giống thực vật tìm kiếm để tạo ra các giống cây mới khỏe hơn nên tìm các giống ngô có mức độ thay đổi của các chất chuyển hóa trung gian này.

Cây trồng và vi khuẩn có thể làm việc cùng nhau tốt hơn không?

Mục tiêu tương lai của nhóm là tìm ra các biến thể tự nhiên của nấm Trichoderma thậm chí có ích hơn các chủng Trichoderma hiện giờ đang được sử dụng. Kolomiets nói “Có một sự đa dạng rộng trong tự nhiên và chúng ta cần đề cập đến sự đa dạng này”.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu “có thể xác định các giống ngô tương tác tốt hơn với các vi khuẩn có ích này”, Kolomiets nói, “nếu chúng tôi biết chúng làm việc này như thế nào, nó cho phép chúng tôi tạo ra các giống ngô tốt hơn cho vi khuẩn và tạo ra các giống vi khuẩn tốt hơn cho ngô, kết quả sẽ tạo ra các giống ngô khỏe mạnh trên đồng ruộng”.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org