Lập bảng đồ hệ vi sinh vật ở cây có múi: Bước đầu tiên để tìm kiếm hệ vi sinh vật thực vật

Hình bên trái là nghiên cứu sinh Jin Xu trong vườn cây họ cam, chanh. Hình bên phải là Yunzeng Zhang; người vừa trở thành giáo sư ở Đại học Yangzhou, Trung Quốc. Ở giữa là hình miêu tả các vùng cư ngụ khác nhau của hệ vi sinh vật ở cây có múi. Ảnh: Tess Deyett.

Do sự phức tạp và quy mô rất nhỏ, sự tương tác giữa thực vật và hệ vi sinh vật khó có thể nắm bắt. Mỗi nhà nghiên cứu tập trung vào một phần nhỏ của sự tương tác, thật khó để tìm kiếm các phần nhỏ này và tập hợp chúng lại trong một bản đồ toàn diện về hệ vi sinh vật thực vật. Đây là mục tiêu của nghiên cứu, để thu thập tất cả các phần này từ các nơi khác nhau và đặt chúng vào một cái gì đó toàn diện có thể hướng dẫn các nhà nghiên cứu đến các manh mối được giữ kín và những sự kết hợp mới để mở khóa các bí mật của một hệ thống.

Gần đây, Yunzheng Zhang, Nian Wang và các cộng sự đã xây dựng một bản đồ “Hệ vi sinh vật ở các cây có múi: Từ cấu trúc và chức năng cho đến kỹ thuật vi sinh và hơn thế nữa”, công trình được đăng trên tạp chí Phytobiomes Journal. Bản đồ của họ phác thảo cấu trúc và chức năng tiềm tàng của hệ vi sinh vật thực vật và sự hiểu biết này đã hướng dẫn chúng ta những kỹ thuật mới và những hiểu biết sâu sắc hơn về hệ vi sinh vật thực vật. Sau khi được công bố, những hiểu biết này có thể giúp các nhà nghiên cứu trồng nhiều hơn các cây họ cam, chanh có khả năng chống chịu, thích ứng với biến đổi khí hậu cũng như khả năng phục hồi nhanh dưới áp lực của các tác nhân gây bệnh.

Cây có múi là cây ăn quả lâu năm và quan trọng, có nhiều giá trị về mặt kinh tế cũng như về mặt xã hội. Các loại cây này được trồng ở hơn 140 nước trên thế giới, chịu nhiều áp lực từ môi trường và dịch bệnh. Mối liên hệ giữa chúng ta với các loài cây có múi rất đa dạng nhưng không đa dạng bằng mối liên hệ giữa chúng với hệ vi sinh vật. Khi chúng ta chuyển sang một môi trường sống luôn mất ổn định, việc hiểu những sự tương tác này trở nên cấp bách để đảm bảo các loài cây có múi sẽ vẫn hiện diện trong cuộc sống của chúng ta trong nhiều năm nữa.

Nian Wang tin rằng “Khai thác những sự tương tác giữa hệ vi sinh vật và cây có múi để giải quyết các tác nhân stress sinh học và phi sinh học đã đem lại cơ hội tăng năng suất một cách bền vững”. Để xây dựng bản đồ tương tác giữa cây có múi và vi sinh vật, Wang và cộng sự đã thành lập Hiệp hội Hệ vi sinh vật cây có múi quốc tế vào năm 2015. Mục đích là hình thành sự hợp tác quốc tế để giải quyết vấn đề toàn cầu này. Trước khi hiểu rõ hệ sinh thái này, nhóm nghiên cứu đã phải hiểu riêng từng loài vi sinh vật tạo thành quần xã hệ vi sinh vật ở cây có múi và cách quần xã vi sinh vật này hoạt động như thế nào trên các vị trí thích hợp khác nhau ở thực vật.

Sau khi xác định các loài vi khuẩn và một số chức năng của chúng, câu hỏi chuyển sang là làm cách nào để lập thành một bản đồ. Khi các nhà nghiên cứu hiểu rõ hệ vi sinh vật, họ bắt đầu thiết kế các loài vi khuẩn mới hoặc các quần xã tổng hợp để đảm nhận một chức năng đặc biệt nhằm giải quyết các thiếu sót hiện tại như năng suất cây trồng, lây lan dịch bệnh và các vấn đề khác về sức khỏe của cây họ cam, chanh. Trong bài đánh giá của mình; Zhang, Wang và các cộng sự đã chú trọng giải quyết câu hỏi đầu tiên bằng cách kết hợp nhiều nghiên cứu về metagenomic trong một bài báo và công bố những vi khuẩn nào tạo nên hệ vi sinh vật trên cây họ cam, chanh ở vùng xung quanh rễ (rhizosphere), trên bề mặt rễ (rhizoplane), nội sinh trong rễ (endorhiza) và trên bề mặt lá (phyllosphere).

Bài đánh giá này làm nổi bật nghiên cứu toàn diện đã được thực hiện trên hệ vi sinh vật ở cây có múi và khéo léo tập hợp những kiến thức trong một hình ảnh minh họa hoàn chỉnh. Hệ vi sinh vật vùng xung quanh rễ của cây có múi gồm nhiều vi khuẩn thuộc họ Proteobacteria và Bacteroidetes, các họ vi khuẩn này cũng phổ biến ở vùng xung quanh rễ ở những cây trồng khác. Các vi khuẩn thuộc họ Bradyrhizobium và Burkholderia là nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế nhất trong sự chuyển tiếp giữa nhóm vi sinh vật vùng xung quanh rễ và vi sinh vật trên bề mặt rễ. Sinh khối của hệ vi sinh vật nội sinh  trong rễ xấp xỉ khoảng một phần năm sinh khối của vi sinh vật vùng xung quanh rễ, gồm các họ Proteobacteria , Firmicutes và Actinobacteria, tương tự cho các hệ vi sinh vật trên bề mặt lá.

Nhưng các nhà nghiên cứu nhận thấy vẫn còn nhiều vấn đề để tìm hiểu và khám phá. Ở thời điểm này, các nhà nghiên cứu chỉ biết được loài vi khuẩn nào hiện diện trong một số mô, điều này có nghĩa là vẫn còn một lượng lớn các nghiên cứu cần được thực hiện. Với kiến thức này, ngoài các kỹ thuật giải trình tự DNA được sử dụng trước đây, đã đến lúc bắt đầu kết hợp các công nghệ multiomic chẳng hạn như quá trình phiên mã (nghiên cứu về RNA) và quá trình trao đổi chất (nghiên cứu các chất chuyển hóa). Đây là thời điểm thú vị để trở thành một nhà khoa học về thực vật hoặc nông nghiệp bởi vì họ đạt được đỉnh cao của việc hợp nhất các kỹ thuật mới để hiểu một thế giới mà chúng ta không nhìn thấy được: thế giới của hệ vi sinh vật.

“Trí thông minh nhân tạo sẽ rất quan trọng để chúng tôi khai thác một lượng lớn các dữ liệu. Liên quan đến việc sử dụng hệ vi sinh vật như thế nào. Tôi nghĩ một quần xã vi khuẩn tổng hợp, chẳng hạn như CRISPS - chỉnh sửa bộ gen qua trung gian, hứa hẹn sẽ mang lại con đường mới cho các ứng dụng”, Wang cho biết. Một vấn đề ở quy mô này, gồm nhiều phần chuyển động, không chỉ cần một tập hợp quốc tế gồm các nhà khoa học hàng đầu mà còn cần một nhóm liên ngành không chỉ gồm các nhà khoa học thực vật, vi sinh vật và bệnh học thực vật mà còn có các chuyên gia trong lĩnh vực tin sinh học, làm vườn và khoa học máy tính. Chỉ khi kết hợp các nhóm nhà khoa học lại với nhau mới tìm thấy các mảnh ghép của bản đồ hệ vi sinh vật ở cây có múi trước khi quá muộn. 

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Phys.org