Như thế nào và tại sao thực vật và vi sinh vật tương tác với nhau?
Thứ hai, 16-12-2024 | 11:06:47
|
Vi sinh vật được tìm thấy ở khắp nơi trên trái đất, chúng đã trải qua quá trình tiến hóa trong hơn 3,5 tỉ năm để tồn tại và phát triển, gồm cả trong và trên thực vật. Vi sinh vật là những sinh vật rất nhỏ để có thể nhìn thấy mà không sử dụng kính hiển vi, vì thế chúng bao gồm cả vi khuẩn và những sinh vật nhân thực đơn bào - các tế bào có nhân như amip hay trùng roi.
Đối với thực vật, một số loài vi sinh vật là có ích trong khi các loài khác lại gây bệnh. Mối quan hệ giữa vi sinh vật và thực vật rất phức tạp và vẫn tồn tại kể từ khi chúng tiến hóa.
Hai quần xã này tương tác theo nhiều cách khác nhau, bao gồm trao đổi chất, cung cấp các phản ứng phòng vệ, nhận dạng và gắn kết thông qua mối quan hệ cộng sinh. Hiểu được cơ chế của các tương tác này là việc rất cần thiết để giải quyết các thách thức trên toàn cầu về khả năng kháng bệnh, an ninh lương thực và biến đổi khí hậu.
Trao đổi chất dinh dưỡng và tuyển chọn vi sinh vật
Mối quan hệ có lợi giữa thực vật và vi sinh vật thường bắt đầu bằng quá trình quang hợp, đường được tổng hợp để đóng vai trò là chất trao đổi với vi sinh vật.
Thực vật có thể gặp khó khăn trong việc hấp thu các chất dinh dưỡng trong đất, vì thế chúng tổng hợp những loại đường này và các hợp chất khác để đổi lấy nitơ và phospho do vi sinh vật tổng hợp.
Ví dụ, vi khuẩn cố định nitơ có khả năng chuyển hóa nitơ trong khí quyển thành amoniac, một dạng nitơ giúp tăng độ phì nhiêu của đất và tăng lượng nitơ để kích thích sinh trưởng ở thực vật.
Các vi sinh vật này tập trung chính ở 3 vùng của thực vật: rhizosphere (vùng xung quanh bề mặt rễ), endosphere (vùng bên trong các mô thực vật) và phyllosphere (các phần của cây nằm trên mặt đất).
Sự tương tác giữa các vi sinh vật có lợi ở những vùng này mang lại nhiều lợi ích như kích thích sinh trưởng và thực vật sẽ có những cách để tuyển chọn các vi sinh vật chuyên biệt có những đặc tính giúp chúng phát triển tốt nhất.
Ví dụ, một nghiên cứu của JIC năm 2024 do giáo sư Jacob Malone thực hiện đã cho thấy cây lúa mạch có thể tinh chỉnh các quần xã vi sinh vật ở rễ của chúng bằng cách tiết ra một hỗn hợp đường hoặc các hợp chất khác. Bằng cách phân lập các hệ vi sinh vật từ 02 loại cây lúa mạch Tipple và Chevallier, nhóm nghiên cứu đã cho thấy mỗi loại cây đều có các nhóm vi sinh vật cốt lõi chồng chéo lên nhau liên quan đến rễ của chúng, nhưng trong tổng thể các quần xã vi sinh vật thì có một số khác biệt rõ rệt. Khi các nhà nghiên cứu hoán đổi các quần xã vi sinh vật này giữa 02 loại cây thì chúng phát triển không tốt như ban đầu.
Bằng cách tiết ra các hợp chất giúp thực vật chống chịu được với các căng thẳng của môi trường (chẳng hạn như hạn hán, độ mặn hay nhiệt độ khắc nghiệt) vi sinh vật có thể giúp thực vật phát triển mạnh trong các môi trường khắc nghiệt này.
Cơ chế phòng vệ
Một số loại vi khuẩn và nấm hoạt động như các vệ sĩ tự nhiên, chẳng hạn như vi khuẩn vùng rễ và nấm cộng sinh. Vai trò của các loại vi khuẩn và nấm có lợi này như những người bảo vệ tự nhiên, tạo thành một lá chắn bảo vệ xung quanh bề mặt của cây trồng. Cơ chế phòng vệ này mở rộng ra ngoài phạm vi một cây riêng lẻ, góp phần vào khả năng phục hồi của toàn bộ hệ sinh thái.
Một ví dụ về điều này là cách các vi khuẩn Psedomonas đã tạo được các phân tử nhỏ có tác dụng đối kháng với các vi khuẩn gây bệnh ghẻ ở cây khoai tây, một loại bệnh gây tổn thất lớn cho mùa vụ khoai tây.
Trong nông nghiệp, một số vi khuẩn được sử dụng cho các loại cây trồng để ngăn chặn sự phát triển của các tác nhân gây bệnh.
Các vi khuẩn có lợi cũng có thể kích thích hệ thống miễn dịch của cây trồng, tăng khả năng chống lại các tác nhân gây bệnh, ví dụ như tiết ra các phân tử tín hiệu để kích thích sự phòng vệ này.
Bằng cách hiểu và khai thác các tương tác có lợi giữa thực vật và vi sinh vật, các chiến lược mới để ngăn ngừa bệnh ở thực vật và tăng năng suất cây trồng có thể được phát triển.
Tương tác gây bệnh
Mặc dù vi sinh vật mang lại nhiều lợi ích nhưng những tương tác giữa vi sinh vật và thực vật có những thay đổi đáng kể, từ có lợi sang trạng thái gây bệnh.
Điều này là do các điều kiện môi trường thay đổi, các mức độ căng thẳng của thực vật, thành phần các quần xã vi sinh vật và các yếu tố di truyền khác.
Những thay đổi này tạo ra nhiều cơ hội cho các vi sinh vật có lợi trước đây lợi dụng tính dễ tổn thương trong việc phòng vệ của thực vật và gây bệnh.
Thực vật có thể nhận ra các vi sinh vật gây bệnh và bắt đầu cơ chế kích hoạt các phản ứng miễn dịch bằng cách theo dõi các mô hình phân tử có liên quan đến vi sinh vật (MAMPS). Chúng xác định MAMPS là “tự thân” hay “lạ” và có thể tạo các phản ứng miễn dịch theo thông tin này. Điều này giúp thực vật giảm nhiễm trùng do các vi sinh vật gây bệnh mà không ức chế các tương tác có lợi khác.
Tầm quan trọng của sự hiểu biết
Bằng cách hiểu và tận dụng những kiến thức về cách thực vật và vi sinh vật giao tiếp và tương tác, các nhà nghiên cứu ở Trung tâm John Innes và các cộng sự của chúng tôi đã đi đầu trong việc thiết kế và xây dựng các quần xã vi sinh vật - thực vật để cải thiện hệ sinh thái, đảm bảo nông nghiệp bền vững và chống lại những vấn đề toàn cầu chẳng hạn như an ninh lương thực trong nhiều năm tới.
Nguyễn Thị Kim Thoa theo Trung tâm John Innes. |
![]() ![]() ![]() |
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|