Chuyển gen cố định đạm vào các chủng vi khuẩn mới, mở ra một hướng khác ngoài việc sử dụng phân bón

Khi các vi khuẩn cố định đạm cộng sinh cư ngụ ở tế bào thực vật, chúng kích thích sự phát triển của các đốt sần màu hồng trên rễ, duy trì các điều kiện thích hợp để vi khuẩn chuyển hóa nitơ trong không khí thành dạng nitơ mà cây trồng có thể sử dụng được. Một kỹ thuật di truyền mới được các nhà nghiên cứu tại đại học bang Washington phát triển đã cho phép chuyển các vi khuẩn thiếu bất kỳ gen nào cho việc kích thích sự tạo thành đốt sần ở rễ hay cố định đạm thành các chủng vi khuẩn cộng sinh mới có cả hai chức năng này.

Hầu hết các loại cây trồng chủ lực, chẳng hạn như lúa mì hay bắp, đều cần phải bón phân đạm để phát triển. Điều gì sẽ xảy ra nếu vi khuẩn có thể giúp cây trồng hấp thụ nitơ từ khí quyển, giống như đậu Hà Lan và các loại đậu khác.

Nghiên cứu mới của Đại học bang Washington đã tiến một bước quan trọng theo hướng đó, xác định một nhóm gen quan trọng có thể được chuyển từ vi khuẩn cộng sinh có khả năng cố định đạm sang các vi khuẩn không có khả năng cố định đạm, làm tăng khả năng các loài vi khuẩn cư trú trong cây ngũ cốc được biến đổi gen để có thể chuyển hóa nitơ trong khí quyển.

Phát hiện này làm sáng tỏ cách thực vật và vi sinh vật đã tiến hóa cùng nhau trong hàng chục triệu năm qua, đồng thời dự báo tiềm năng giảm sử dụng phân bón hóa học trong bối cảnh khan hiếm nguyên liệu và chi phí tăng.

Các nhà nghiên cứu đã chuyển nhóm gen cố định đạm

“Những thách thức này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tìm ra các phương thức tự nhiên để cung cấp đạm cho cây trồng”, phó giáo sư Stephanie Porter cho biết. “Chúng tôi đã phát triển một phương pháp mới để chuyển thành công một nhóm gen cho phép vi khuẩn cố định đạm và cư trú ở cây trồng vào các loài vi khuẩn mà trước đây không có chức năng này. Chúng tôi có thể chuyển các vi khuẩn thông thường này thành các vi khuẩn có khả năng chuyển hóa niơ và cung cấp cho cây trồng chỉ trong một bước duy nhất”.

Những phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Current Biology, tập trung vào một quá trình tiến hóa quan trọng: nội cộng sinh, trong đó vi khuẩn và tế bào chủ hợp nhất thành một. Ở đây, các loài vi sinh vật sống trong tế bào thực vật. Các sinh vật nội cộng sinh như vậy rất quan trọng trong việc hiểu cách mà thực vật tiến hóa và chức năng của chúng trong một hệ sinh thái, thúc đẩy các quá trình khác biệt như cố định đạm cho thực vật và quang hợp cho các loài san hô. 

Thử nghiệm mối quan hệ mới giữa vi khuẩn và thực vật

Họ đã bắt đầu bằng cách kết hợp các loài vi khuẩn cố định đạm với các loài vi khuẩn không có khả năng cố định đạm. Việc kết hợp này hiếm khi thành công, nhưng các nhà nghiên cứu đã phát triển một công cụ để cải thiện tỷ lệ thành công một cách đáng kể.

Sau đó, họ đã có thể chuyển một nhóm gen liên quan đến việc cố định đạm, được gọi là “symbiosis island” vào các vi khuẩn không có khả năng cố định đạm và sau đó sẽ chuyển những vi khuẩn này vào các tế bào thực vật. Hàng triệu cặp ghép như vậy giữa các loài vi khuẩn khác nhau vào những tế bào chủ đã được thực hiện. Nhiều loài vi khuẩn riêng biệt đã được thực hiện chuyển gen thành công, những loài vi khuẩn có quan hệ gần với các loài vi khuẩn cố định đạm sẽ cho tỷ lệ thành công cao hơn. Hầu hết các tương tác đều có lợi hoặc không gây hại cho sinh vật chủ.

Triển vọng tương lai cho các cây lương thực chính

Tiếp theo, các nhà khoa học sẽ nghiên cứu các gen và những biểu hiện cụ thể cho tỷ lệ thành công cao nhất trong việc chuyển gen cố định đạm. “Nghiên cứu mới được hy vọng sẽ thúc đẩy mọi người thực hiện chuyển những đoạn gen cố định đạm vào các chủng vi khuẩn mới để hiểu cách chúng tương tác với bộ gen nền và từng bước phân tích điều gì khiến nó hoạt động và không hoạt động”, Montoya nói.

Mục tiêu cuối cùng là chuyển các vi khuẩn có khả năng cố định đạm vào nhóm cây trồng chủ lực đang phụ thuộc vào phân bón.

“Ví dụ như có những loài vi khuẩn thường cư ngụ ở cây bắp hoặc cây đậu nành hay các loại cây trồng nào khác mà chúng ta muốn chuyển những đoạn gen cố định đạm vào chúng thì phương pháp này cho phép chúng ta thực hiện được điều đó”, Poter nói.  

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org