Đột biến nhỏ ở rễ có thể giúp cây trồng tự cung cấp phân bón cho chính nó

Một thay đổi rất nhỏ trong protein có thể mở đường cho các siêu cây trồng cố định đạm, giúp làm giảm mạnh nhu cầu phân bón toàn cầu.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus đã phát hiện ra một “công tắc” phân tử cho phép cây trồng hợp tác với vi khuẩn cố định đạm thay vì chống lại chúng. Khám phá này có thể mở đường cho các loại cây lương thực tự cung cấp phân bón cho chính nó. Nguồn: Đại học Aarhus.

“Chúng tôi đã tiến thêm một bước đến nền sản xuất thực phẩm xanh hơn và thân thiện với khí hậu hơn”.

Đó là kết luận của hai giáo sư sinh học phân tử Kasper Røjkjær Andersen và Simona Radutoiu thuộc Đại học Aarhus.

Nghiên cứu mới của họ chỉ ra một manh mối sinh học quan trọng có thể giúp giảm sự phụ thuộc nhiều vào phân bón nhân tạo của nông nghiệp.

Thực vật cần đạm để sinh trưởng, và hầu hết các loài cây trồng hiện nay chỉ có thể sử dụng đạm thông qua phân bón. Tuy nhiên, một nhóm nhỏ cây trồng  - bao gồm đậu Hà Lan, cỏ ba lá và các loại cây họ đậu - có thể phát triển mà không cần bổ sung đạm. Chúng làm được điều này bằng cách hình thành mối quan hệ cộng sinh với các vi khuẩn đặc biệt, có khả năng chuyển đạm trong không khí thành dạng mà cây có thể hấp thụ.

Giải mã bí mật khả năng cố định đạm tự nhiên

Các nhà khoa học trên toàn thế giới đang tìm hiểu nền tảng di truyền và phân tử của khả năng cố định đạm tự nhiên này, với hy vọng có thể đưa tính trạng đó vào các cây trồng chủ lực như lúa mì, lúa mạch và ngô.

Nếu thành công, các cây trồng này có thể tự cung cấp đạm cho chính mình, giúp giảm nhu cầu phân bón tổng hợp-vốn hiện chiếm khoảng 2% mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu và tạo ra lượng lớn khí CO₂.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus đã xác định được những thay đổi rất nhỏ trong các thụ thể của cây, khiến cây tạm thời “tắt” hệ miễn dịch và bước vào mối quan hệ hợp tác với vi khuẩn cố định đạm.

Cây trồng quyết định “phòng thủ hay hợp tác” như thế nào?

Cây trồng dựa vào các cơ quan thụ cảm trên bề mặt tế bào để cảm nhận các tín hiệu hóa học từ vi sinh vật trong đất.

Một số vi khuẩn phát ra tín hiệu “kẻ thù”, khiến cây kích hoạt cơ chế phòng vệ. Những vi khuẩn khác phát tín hiệu “bạn bè”, cho thấy chúng có khả năng cung cấp dinh dưỡng.

Các cây họ đậu như đậu Hà Lan, cây họ đậu khác và cỏ ba lá cho phép vi khuẩn chuyên biệt xâm nhập vào rễ. Bên trong mô rễ, vi khuẩn chuyển đạm trong khí quyển thành dạng cây có thể sử dụng và chia sẻ nó cùng với cây. Mối quan hệ này- gọi là quan hệ cộng sinh- đó là lý do cây họ đậu có thể phát triển mà không cần phân bón hóa học.

Các nhà khoa học phát hiện rằng khả năng này chịu ảnh hưởng mạnh mẽ bởi chỉ hai axit amin mà hoạt động như những “đơn vị cấu tạo” rất nhỏ trong protein rễ cây. “Đây là kết quả nghiên cứu kinh ngạc và quan trọng”, giáo sư Simona Radutoiu cho biết.

Protein trong rễ này hoạt động như một “thụ thể”, có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ vi khuẩn và quyết định có kích hoạt hệ miễn dịch (báo động), hay chấp nhận vi khuẩn và thiết lập mối qua hệ cộng sinh hay không.

Nhóm nghiên cứu đã xác định một vùng nhỏ trong protein thụ thể, gọi là Symbiosis Determinant 1 (Yếu tố quyết định cộng sinh 1). Vùng này hoạt động như một công tắc, kiểm soát thông điệp nội bộ mà cây nhận được.

Chỉ bằng cách thay đổi hai axit amin trong công tắc này, các nhà khoa học đã biến một thụ thể vốn kích hoạt phản ứng miễn dịch thành thụ thể khởi động quá trình cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng chỉ hai thay đổi rất nhỏ cũng có thể khiến cây thay đổi biểu hiện ở một thời điểm then chốt- chuyển từ từ chối vi khuẩn sang hợp tác với chúng,” Radutoiu giải thích.

Mở rộng tiềm năng sang các cây lương thực chính

Trong các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thành công khi tạo ra sự thay đổi này ở cây sen Nhật Bản (Lotus japonicus). Sau đó, họ thử nghiệm ý tưởng trên cây lúa mạch và nhận thấy cơ chế này cũng hoạt động.

“Thật đáng kinh ngạc khi chúng tôi có thể lấy một thụ thể từ lúa mạch, thay đổi rất nhỏ, và quá trình cố định đạm lại hoạt động”, giáo sư Kasper Røjkjær Andersen nói.

Tiềm năng dài hạn của phát hiện này là rất lớn. Nếu những điều chỉnh này có thể áp dụng cho các loại ngũ cốc khác, trong tương lai có thể lai tạo ra lúa mì, ngô hoặc lúa có khả năng tự cố định đạm giống như cây họ đậu.

“Tuy nhiên, chúng ta vẫn cần tìm ra những yếu tố then chốt thiết yếu khác”, Radutoiu lưu ý.

“Hiện nay chỉ có rất ít cây trồng có khả năng cộng sinh. Nếu chúng ta có thể mở rộng điều đó cho các cây trồng được sử dụng rộng rãi, nó sẽ tạo ra sự khác biệt rất lớn về lượng đạm cần sử dụng trong nông nghiệp”.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.