Giảm sự phụ thuộc vào phân đạm bằng cách sử dụng cố định nitơ sinh học

Cây con ba ngày tuổi của Setaria viridis A10.1 được cấy bằng Herbaspirillum seropedicae SmR1 (fix +) hoặc SmR54 (fix?), trong khi các cây đối chứng (CTRL) không được tiêm chủng. Cây phát triển trong 2 tuần sau khi cấy trong điều kiện nhà kính, thu hoạch rễ và lá. Rễ từ thực vật đã cấy SmR1 hoặc SmR54 được phân tích bằng kính hiển vi huỳnh quang. Nguồn: Beverly J. Agtuca, Sylwia A. Stopka, Thalita R. Tuleski, Fernanda P. do Amaral, Sterling Evans, Yang Liu, Dong Xu, Rose Adele Monteiro, David W. Koppenaal, Ljiljana Paša-Toli?, Christopher R. Anderton, Akos Vertes và Gary Stacey.

Năng suất cây trồng đã tăng đáng kể trong những thập kỷ qua đồng thời với việc sử dụng phân bón nitơ ngày càng tăng. Ngoài việc phân đạm có lợi cho sự tăng trưởng của cây trồng, nó có tác động tiêu cực đến môi trường và khí hậu, vì nó đòi hỏi một lượng năng lượng lớn để sản xuất. Nhiều nhà khoa học đang tìm cách phát triển các thực hành bền vững hơn để duy trì năng suất cây trồng cao mà đầu vào về phân bón giảm.

Nhà nghiên cứu bệnh học thực vật Gary Stacey thuộc Đại học Missouri cho biết: "Một cách bền vững hơn để cung cấp nitơ cho cây trồng là thông qua việc sử dụng cố định nitơ sinh học, phương pháp này tốt cho cây họ đậu. Một loạt các vi khuẩn cố định đạm là phổ biến trong môi trường rễ của hầu hết các loại thực vật. Tuy nhiên, các vi khuẩn thúc đẩy tăng trưởng thực vật như vậy (PGPB) chỉ được sử dụng hạn chế như chế phẩm trong nông nghiệp".

Stacey và đồng nghiệp của ông cho rằng việc sử dụng hạn chế này là do các vấn đề chung liên quan đến năng suất cây trồng và hiệu quả thay đổi khi áp dụng. Họ đã tiến hành nghiên cứu để hiễu rõ hơn về phản ứng trao đổi chất của cây chủ để làm giảm phản ứng của cây trồng với PGPB.

Theo Stacey, "Một thách thức trong nghiên cứu này là, trong khi PGPB có thể xâm lấn rễ cây ở mức độ cao, thì các vị trí bên trong có thể được khoanh vùng cao. Do đó, việc cô lập toàn bộ rễ dẫn đến sự pha loãng đáng kể của bất kỳ tín hiệu nào do phần lớn các tế bào gốc không tiếp xúc với vi khuẩn".

Để vượt qua thách thức này, Stacey và nhóm của ông đã sử dụng phương pháp quang phổ khối ion hóa cắt đốt bằng laser (LAESI-MS), cho phép họ lấy mẫu ở những vị trí bị nhiễm khuẩn có thể định vị do biểu hiện protein huỳnh quang màu xanh lá cây.

Kết quả cho thấy sự xâm nhập của vi khuẩn dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong quá trình trao đổi chất của cây, với một số chất chuyển hóa dư thừa ở những cây bị nhiễm bệnh và gồm cả các chất chuyển hóa chỉ thị của nitơ, đã bị giảm trong rễ không được hoặc cấy chủng vi khuẩn không thể cố định nitơ.

Stacey nhận xét: "Thật thú vị, các hợp chất, liên quan đến sinh tổng hợp indole-alkaloid có nhiều hơn ở rễ bị xâm lấn bởi chủng vi khuẩn cố định đạm, có lẽ nó phản ánh phản ứng bảo vệ thực vật. Cuối cùng, thông qua nghiên cứu này, chúng tôi hy vọng xác định các cơ chế phân tử mà PGPB kích thích tăng trưởng thực vật để đưa ra các giao thức tiêm chủng hiệu quả và nhất quán để cải thiện hiệu suất cây trồng".

Phòng thí nghiệm của Stacey từ lâu đã quan tâm đến việc cố định nitơ sinh học và tương tác giữa vi khuẩn thực vật nói chung. Kể từ khi phát hiện ra cố định nitơ sinh học (BNF), phòng thí nghiệm đã có mục tiêu truyền đạt lợi ích của BNF cho các cây trồng không phải là cây họ đậu như ngô. PGPB có khả năng này trong tự nhiên nhưng điều này chưa được nắm bắt đầy đủ cho sản xuất nông nghiệp thực tiễn.

"Chúng tôi tin rằng, trái ngược với các tương tác được nghiên cứu tốt hơn, chẳng hạn như rhizobium-legume, điều này là do thiếu thông tin chung về cơ chế phân tử bởi việc PGPB kích thích tăng trưởng thực vật. Do đó, trong các dự án phòng thí nghiệm được thực hiện để cung cấp thông tin này với hy vọng những thông tin đó sẽ làm tăng hiệu quả của chế phẩm PGPG với ảnh hưởng thực tế là tăng việc sử dụng chúng nâng cao năng suất cây trồng".

Stacey và nhóm của ông đã rất ngạc nhiên khi họ không ghi nhận tác động đáng kể của việc sản xuất hormone thực vật có tương quan chặt chẽ với khả năng của PGPB để tăng cường sự phát triển của cây. Điều này cho thấy PGPB tác động đến quá trình chuyển hóa thực vật ở mức độ lớn hơn nhiều so với những gì nhận biết trước đây, có lẽ đưa ra những giải thích phức tạp hơn về cách thức các vi khuẩn này tác động đến sự phát triển của thực vật.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org