Cây đậu nành và vi khuẩn cộng sinh ra sao

Rhizobia (màu xanh dương) cộng sinh trong rễ cây. Các cấu trúc màu nâu là protein thực vật (hình ảnh kính hiển vi điện tử màu). Ảnh: ETH Zurich / Anne-Greet Bittermann.

Thực vật cần đạm ở dạng ammonium cho sự phát triển của chúng. Trong canh tác, người nông dân thường rải loại đạm này dưới dạng phân bón. Sản xuất ammonium là một quy trình tiêu hao nhiều năng lượng, tốn kém và các phương pháp sản xuất ngày nay cũng phóng thích một lượng lớn CO₂.

Tuy nhiên, một số ít các loại cây trồng có khả năng cung cấp nguồn ammonium cho riêng chúng. Rễ của cây đậu phộng, đậu Hà Lan, cỏ ba lá và các loại cây họ đậu khác chứa vi khuẩn cố định đạm (Rhizobia) có thể chuyển đổi nitơ từ không khí thành dạng ammonium. Sự cộng sinh này mang lại lợi ích cho cả thực vật và rhizobia: vi khuẩn cung cấp ammonium cho thực vật; ngược lại, thực vật cung cấp cho vi khuẩn các dạng amino acid.

Một tương tác phức tạp đáng ngạc nhiên

Beat Christen- Giáo sư Hệ thống Sinh học Thực nghiệm và Matthias Christen, nhà khoa học tại Viện Sinh học Hệ thống Phân tử, các nhà nghiên cứu ETH hiện đã thành công trong việc chứng minh rằng tương tác giữa vi khuẩn - thực vật thì thật sự phức tạp đáng ngạc nhiên. Cùng với carbon, thực vật cung cấp cho vi khuẩn nguồn nitơ giàu axit amin arginine.

Beat Christen cho biết "Mặc dù khả năng cố định đạm trong rhizobia đã được nghiên cứu trong nhiều năm, nhưng vẫn còn những lỗ hổng kiến ​​thức. Những phát hiện mới của chúng tôi sẽ giúp giảm sự phụ thuộc của nông dân vào phân đạm, từ đó giúp cho sản xuất nông nghiệp bền vững hơn”.

Bằng cách sử dụng các phương pháp sinh học hệ thống, các nhà nghiên cứu đã điều tra và làm sáng tỏ con đường trao đổi chất của rhizobia sống cộng sinh với cỏ ba lá và đậu nành. Các nhà khoa học đã xác minh kết quả các thí nghiệm tăng trưởng thực vật và vi khuẩn trong phòng thí nghiệm. Họ cho rằng những phát hiện mới của họ sẽ không chỉ áp dụng cho cỏ ba lá và đậu nành, mà còn cả trên con đường trao đổi chất của các cây họ đậu khác theo cách tương tự.

Đây là một sự cộng sinh sinh tồn chứ không phải là tự nguyện

Những phát hiện đã làm sáng tỏ sự cùng tồn tại của thực vật và rhizobia. "Sự cộng sinh này thường được trình bày sai như một sự cho và nhận tự nguyện. Nhưng trên thực tế, hai đối tác đã cùng nhau sinh tồn bằng cách khai thác lẫn nhau một cách triệt để", Matthias Christen nói.

Như các nhà khoa học đã có thể chứng minh, đậu nành và cỏ ba lá không chính xác hỗ trợ cho hoạt động cố định đạm của vi khuẩn rhizobia, mà chỉ xem chúng như là mầm bệnh. Thực vật cố gắng cắt đứt nguồn cung cấp oxy của vi khuẩn và tiếp xúc với chúng trong điều kiện axit. Trong khi đó, vi khuẩn không ngừng sinh tồn trong môi trường không thân thiện này. Chúng sử dụng nguồn arginine có trong thực vật vì nó giúp cho vi khuẩn chuyển sang quá trình trao đổi chất không cần nhiều oxy.

Theo Beat Christen, để trung hòa môi trường axit, các vi khuẩn chuyển các proton axit hóa thành các phân tử nitơ lấy từ không khí. Điều này tạo ra ammonium, mà chúng loại bỏ bằng cách dẫn nó ra khỏi tế bào vi khuẩn và truyền lại cho thực vật. Trong khi đó ammonium rất quan trọng đối với thực vật mà đó lại đơn thuần chỉ là một sản phẩm thải trong cuộc đấu tranh sinh tồn của vi khuẩn.

Chuyển đổi nitơ phân tử thành ammonium là một quá trình tốn nhiều năng lượng không chỉ cho ngành công nghiệp mà còn cho cả hoạt động của vi khuẩn rhizobia. Cơ chế mới đặc trưng được giải thích tại sao vi khuẩn tiêu tốn quá nhiều năng lượng vào quá trình đó là do nó cần đảm bảo cho sự sống sót của chúng.

Công nghệ sinh học: mở lối cho nông nghiệp bền vững

Nông nghiệp và công nghệ sinh học sẽ có thể sử dụng cái nhìn sâu sắc mới này để xem xét quá trình cố định đạm của vi khuẩn trên các loại cây trồng khác không phải là cây họ đậu, như lúa mì, ngô hoặc lúa. Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu để đạt được sự chuyển giao này, nhưng luôn gặp phải hạn chế vì một phần quan trọng của sự trao đổi chất vẫn chưa được khám phá.

Một cách tiếp cận có khả năng thành công là sử dụng các phương pháp công nghệ sinh học để đưa thêm tất cả các gen cần thiết vào con đường trao đổi chất trực tiếp trên cây trồng. Một phương pháp khác là biến nạp các gen này vào vi khuẩn đánh giá tương tác của chúng với rễ lúa mì hoặc ngô. Nhưng trên thực tế, những vi khuẩn này không chuyển đổi nitơ trong không khí thành ammonium, tuy nhiên công nghệ sinh học có phương tiện để biến điều này thành hiện thực và các nhà nghiên cứu ETH sẽ theo đuổi phương pháp này.

Mai Thanh Trúc theo Phys.org