Làm thế nào để phát triển một quần xã vi sinh vật cây trồng khỏe mạnh?

Các nhà khoa học đang nghiên cứu về quần xã vi sinh vật khỏe mạnh của con người, lập bản đồ các vi khuẩn bình thường sống trong và trên cơ thể con người khỏe mạnh. Nhưng điều gì xảy ra với một quần xã vi sinh vật thực vật khỏe mạnh?

Thậm chí ngày nay còn có một thứ như một quần xã vi sinh vật cây trồng khỏe mạnh trong các lĩnh vực nông nghiệp, với hàng hecta cây  trồng bị tấn công bởi thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và phân bón.

Một nghiên cứu mới của Đại học California, Berkeley, các nhà sinh thái học vi sinh vật đã sử dụng tiến hóa thực nghiệm để giúp xác định quần xã vi sinh vật cốt lõi của cây cà chua thương mại. Họ đã chọn những loài vi sinh vật sống sót tốt nhất trên cây và sau đó cho thấy những cộng đồng vi sinh vật "thuần hóa" này có thể chống lại một cách hiệu quả các vi khuẩn nào ngẫu nhiên xâm nhập vào cây trồng. Nói cách khác, các cộng đồng được chọn lọc này trông giống như một quần xã vi sinh vật thực vật ổn định, khỏe mạnh, giống như những gì mà một cây cà chua mạnh khỏe có thể truyền sang cho con cháu của nó.

Một thông tin tốt cho người trồng, những nhà khoa học hy vọng rằng việc điều khiển quần xã vi sinh vật thực vật, chẳng hạn như chế phẩm sinh học, sẽ tạo ra những cánh đồng khỏe mạnh, cần ít phân bón và ít hoặc không cần sử dụng thuốc trừ sâu nhưng vẫn cho năng suất tốt.

Trưởng nhóm nghiên cứu Britt Koskella, giáo sư trợ lý sinh học tích hợp của UC Berkeley cho biết: "Tôi thấy ý nghĩa của công việc này không chỉ thiên về chế phẩm sinh học mà còn hướng đến thực hành nông nghiệp". "Khi trồng các cánh đồng, chúng ta nên suy nghĩ về cách chúng ta làm - cho dù đó là cấu trúc tuổi của cây trồng hay độc canh so với luân canh cây trồng, những gì ở trong đất hoặc những gì sống gần đó - có thể ảnh hưởng đến sức khỏe của quần xã vi sinh vật cây trồng. Chúng ta nên thiết kế điều kiện gần giống với môi trường tự nhiên để vi sinh vật phát triển".

Koskella, tác giả chính của Norma Morella, hiện đang là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại Trung tâm nghiên cứu ung thư Fred Hutchinson ở Seattle và các đồng nghiệp của họ đã báo cáo trực tuyến những phát hiện của họ trong tuần này trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Science (PNAS).

Làm thế nào để cây con có được quần xã vi sinh vật từ mẹ của chúng?

Koskella nghiên cứu hệ sinh thái vi sinh vật của thực vật và nó ảnh hưởng thế nào đến sức khỏe cây trồng, giống như các nhà sinh học nghiên cứu vai trò của quần xã vi sinh vật đối với sức khỏe của con người. Tập trung vào cây trồng nông nghiệp, cô có cùng mối quan tâm giống như các nhà sinh học lo lắng về việc duy trì một quần xã vi sinh vật khỏe mạnh của con người - da, ruột và nhiều thứ khác - từ mẹ sang con.

Khi cây con lần đầu tiên được đưa vào các cánh đồng, ví dụ, thường không có cây trưởng thành gần đó mà chúng có thể thu được các vi khuẩn lá và thân. Trong trường hợp không có sự lây truyền từ mẹ, Koskella tự hỏi, làm thế nào để những cây này có được quần xã vi sinh vật của chúng, và những vi sinh vật này có lý tưởng cho cây trồng không?

Và nếu vi sinh vật không thích ứng tốt - ví dụ, không kháng các vi khuẩn mang mầm bệnh – liệu chúng có thể được cải thiện?

Những câu hỏi này ngày càng trở nên quan trọng khi người trồng và các ngành công nghiệp cố gắng cải thiện năng suất và tính bền vững của cây trồng, tập trung xung quanh vấn đề hạt giống cùng với vi khuẩn mong muốn, các cộng đồng vi sinh vật đất hoặc phun các vi khuẩn mong muốn vào các cây trồng.

Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy quần thể vi sinh vật có thể ảnh hưởng đến năng suất, khả năng chịu hạn và thậm chí thời gian ra hoa của cây. Hệ vi sinh vật có thể được tăng cường để đạt được điều này, và liệu quần thể vi sinh vật tăng cường có thể tồn tại đủ lâu để giúp cây trồng không?

Norma Morella lấy mẫu cây từ cánh đồng cà chua tại UC Davis để thu thập các vi khuẩn sẽ được phun lên cây cà chua trong nhà kính để chọn một quần xã lõi cho cà chua. (Ảnh: Britt Koskella).

Các nghiên cứu mới rất đáng khích lệ.

"Chúng tôi biết rằng, về lý thuyết, bạn có thể chọn các vi khuẩn thực hiện các chức năng cụ thể: tăng năng suất, khả năng chịu hạn hoặc kháng bệnh. Về nguyên tắc, chúng tôi cho thấy rằng bạn có thể tạo ra một cộng đồng vi sinh vật có chức năng mà bạn quan tâm, nhưng cũng không phải là bất khả xâm phạm" Koskella nói.

Nuôi cấy quần thể vi sinh vật lõi

Các thí nghiệm được thực hiện trong nhà kính trên Vùng Oxford của UC Berkeley, bao gồm lấy năm giống cà chua và phun bốn thế hệ cây trồng liên tiếp với các quần thể vi sinh vật của thế hệ trước. Thế hệ đầu tiên được phun một hỗn hợp vi khuẩn được tìm thấy ở nhiều loại cà chua trên một cánh đồng bên ngoài tại UC Davis.

Nuôi dưỡng cộng đồng vi sinh vật của từng giống cà chua qua các thế hệ kế tiếp cho phép nó thích nghi với từng chủng, lý tưởng là loại bỏ các vi khuẩn không thích ứng và cho phép các giống thích nghi phát triển tốt.

Bằng cách giải trình tự ribosome 16S của các cộng đồng vi khuẩn của cà chua sau mỗi thế hệ - một kỹ thuật cho phép xác định các chủng vi khuẩn khác nhau - họ có thể chỉ ra rằng, ở thế hệ thứ tư, chỉ còn 25% chủng vi khuẩn ban đầu.

"Vì vậy, 75 phần trăm vi khuẩn ban đầu mà chúng tôi phun ra gần như biến mất trong thí nghiệm", Koskella nói. "Điều đó thực sự rất thú vị, bởi vì nó cho thấy rất nhiều vi khuẩn ngoài kia không thích nghi tốt, chúng tình cờ ở đó. Gió thổi chúng ở đó, mưa văng chúng ở đó, nhưng chúng không phát triển mạnh, chúng có thể không thích nghi với môi trường đặc biệt đó".

25% số vi khuẩn còn lại, rất giống nhau trên tất cả các dòng chọn lọc độc lập và trên năm chủng cà chua, trông rất giống như một quần thể vi sinh vật "cốt lõi": các vi sinh vật quan trọng cần thiết cho một cây khỏe mạnh.

Khi Morella phun hỗn hợp vi sinh vật lên cây cà chua - một nửa từ hệ vi sinh vật thích nghi của thế hệ thứ nhất, một nửa từ hệ vi sinh vật thuộc thế hệ thứ tư trưởng thành hơn – cho thấy vi sinh vật thế hệ thứ tư thích nghi tốt hơn với cà chua.

"Tôi nghĩ rằng các thí nghiệm trên cà chua hỗ trợ quan điểm rằng vi khuẩn trên lá có những đặc điểm rất đặc biệt cần thiết để chúng phát triển tốt trên những cây đó ", Steven Lindow một đồng tác giả nói, giáo sư sinh học thực vật và vi sinh vật UC Berkeley, ông đã nghiên cứu các tương tác mầm bệnh - thực vật trong gần 50 năm cho biết. "Điều này rất phù hợp với những gì chúng tôi đã tìm thấy trước đây, rằng một số cây trồng có khả năng lấn át những cây trồng khác mà chúng đang tồn tại trên củng môi trường. Ảnh hưởng rất mạnh và thực sự và rất quan trọng để có thể duy trì các giống cây trồng có sức cạnh tranh kém".

"Điều gì bạn thực sự muốn hỏi là ai thắng khi bạn cho chúng đối đầu với nhau? Quần thể vi sinh vật được chọn hoặc quần thể vi sinh vật không được chọn?" Koskella nói. "Với tôi đó là phần yêu thích nhất trong toàn bộ thí nghiệm: Những công việc chọn lựa, bạn thực sự có thể chọn một quần thể vi sinh vật mà nó thích nghi tốt và không xâm lấn, ít nhất là trong các điều kiện chúng tôi sử dụng cho chọn lọc".

Nhóm của Koskella hiện đang tiến hành các thử nghiệm tiếp theo để xác định liệu quần thể vi sinh vật được chọn có thực sự cải thiện sức khỏe, khả năng phục hồi và năng suất của cây trồng hay không và liệu vi khuẩn sinh học có thể được tích hợp thành công vào quần thể vi sinh vật lõi để mang lại lợi ích lâu dài cho cây trồng hay không.

Nguyễn Bình Duy theo Sciencedaily.