Giải mã hiện tượng cộng sinh: Các nhà nghiên cứu đã mở khóa “sự hợp tác bí mật” giữa các cây họ đậu và nhóm vi khuẩn cố định đạm cộng sinh

Trong một nghiên cúu được công bố trên tạp chí Science ngày 09 tháng 1, nhóm nghiên cứu của Jeremy Murray và ZHANG Yu ở Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và các cộng sự đã lần đầu tiên giải mã được cấu trúc tinh thể mức độ cao của một dạng phức hợp được hình thành giữa protein NodD của vi khuẩn cộng sinh cây đậu Hà Lan và một hợp chất flavonoid (hesperetin). Họ cũng đã làm sáng tỏ cách NodD nhận biết flavonoid và cho biết các yếu tố cấu trúc quan trọng của NodD quyết định việc nhận diện tín hiệu đặc biệt này.

Trong tự nhiên, các nốt sần rễ được hình thành từ mối quan hệ cộng sinh ở những cây họ đậu (như đậu nành và cỏ đinh lăng) và nhóm vi khuẩn cố định nitơ cộng sinh đóng vai trò như một nhà máy sản xuất phân bón nitơ tự nhiên. Bên trong các cơ quan này, cây trồng cung cấp nguồn carbon cho vi khuẩn cố định đạm, trong khi đó vi khuẩn cố định đạm chuyển hóa nitơ trong không khí thành dạng phân bón nitơ cây trồng có thể sử dụng được. Rễ của các cây họ đậu được bao bọc bởi các loài vi khuẩn cố định đạm và nhiều loài vi khuẩn khác. Làm cách nào để cây trồng chỉ cho phép các vi khuẩn cố định đạm xâm nhập vào rễ và tạo các đốt sần?

Từ lâu, các nhà khoa học đã biết rễ các cây họ đậu tiết ra một tín hiệu hóa học gọi là “flavonoid”được nhận biết bởi một yếu tố phiên mã trong các loài vi khuẩn cố định đạm,  gọi là NodD. Mặc dù NodD được biết là góp phần vào sự cộng sinh nhưng làm thế nào để nó nhận biết một cách cụ thể các tín hiệu hóa học flavonoid vẫn là một câu hỏi thú vị.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã phát hiện miền liên kết phối tử của protein NodD từ vi khuẩn cố định đạm cộng sinh ở cây đậu Hà Lan nhận biết hesperetin thông qua 02 túi liên kết: một nằm trong monomer của protein NodD và một nằm ở dimer. Cấu hình gắn kết này là cấu hình đầu tiên được quan sát trong số các chất điều hòa phiên mã đã biết trong nhóm NodD.

Phân tích sâu hơn cho thấy NodD chứa 03 miền hoạt hóa chính, cùng với các acid amin quan trọng cụ thể tạo thành một túi liên kết chứa các phân tử flavonoid dạng hesperetin và không chứa các phân tử flavonoid dạng khác, chẳng hạn như isoflavones hay pterocarpans. Điều này giải thích vì sao NodD của vi khuẩn cố định đạm cộng sinh chỉ được hoạt hóa bởi các flavonoid chuyên biệt.

Ngoài ra, các nhà khoa học đã so sánh NodD của vi khuẩn cố định đạm cộng sinh ở cỏ đinh lăng và đậu Hà Lan. Mặc dù có sự tương đồng đến 80% về tổng thể giữa 02 protein nhưng sự “ưu tiên” của chúng đối với các flavonoid khác nhau thì rất khác nhau. NodD của vi khuẩn cố định đạm cộng sinh ở cây đậu Hà Lan chủ yếu phản ứng với flavanones/flavones, trong khi đó NodD của vi khuẩn cố định đạm cộng sinh ở cỏ đinh lăng lại chủ yếu phản ứng với chalcones.

Thông qua các thí nghiệm hoán đổi miền và nghiên cứu các đột biến điểm chuyên sâu, các nhà nghiên cứu đã phát hiện một số acid amin chính yếu nằm ở các vùng hoạt hóa quan trọng. Họ đã cho biết những gốc acid amin đặc biệt này quyết định khả năng của các vi khuẩn cố định đạm cộng sinh phản ứng với các nhóm flavonoid khác nhau.

Vậy tại sao tính đặc hiệu này lại được cần ngay từ đầu? Các nhà nghiên cứu cho rằng sự nhận biết chính xác như vậy là do sự đồng tiến hóa trong hàng triệu năm. Để đảm bảo sự hợp tác thành công, mỗi loại cây trồng phải xác định chính xác các vi khuẩn cố định đạm cộng sinh của chính nó thông qua hệ thống "double-lock and key": vi khuẩn nhận biết các tín hiệu flavonoid chuyên biệt từ cây trồng và ngược lại cây trồng cũng nhận được các tín hiệu cụ thể. Điều này ngăn chặn sự nhầm lẫn khi nhiều loài phát triển gần nhau.

Nghiên cứu này trả lời cho câu hỏi về cách các cây họ đậu và vi khuẩn cố định đạm cộng sinh đạt được sự nhận biết các tín hiệu đặc biệt thông qua các flavonoid và NodD và cung cấp một phương pháp mới để thiết kế hệ thống cố định đạm hiệu quả. Ngoài ra, việc này cũng mở ra hướng để tạo các chủng vi khuẩn cố định đạm phù hợp với từng loại cây trồng nhằm tăng hiệu quả cố định đạm và mở rộng mối quan hệ cố định đạm cộng sinh sang các đối tượng cây trồng khác không thuộc nhóm cây họ đậu như cây lúa và cây bắp, giảm sự phụ thuộc vào phân nitơ hóa học trong sản xuất nông nghiệp.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc.