Một nhóm gen của vi khuẩn dành cho việc cư ngụ ở thực vật

Bằng việc sử dụng một phương pháp thử nghiệm mới, các nhà nghiên cứu ở Max Planck đã phát hiện một nhóm các gen mà những loài vi khuẩn hội sinh cần phải có để cư ngụ ở thực vật ký chủ. Những phát hiện này có thể sẽ liên quan đến việc nghiên cứu cách các vi khuẩn thiết lập thành công mối quan hệ giữa vi khuẩn hội sinh và thực vật ký chủ.

Vi khuẩn Rhodanobacter, được đánh dấu màu xanh lá cây, đang cư ngụ trong rễ cây thale cress. © Jana Ordon.

Có rất nhiều vi sinh vật cư ngụ trong thực vật, bao gồm các loài vi khuẩn, vi khuẩn cổ và nấm tạo thành các quần xã đa dạng, còn gọi là hệ vi sinh vật, cư ngụ ở rễ hay các bộ phận khác của thực vật. Mặc dù không nhìn thấy bằng mắt thường nhưng không nên đánh giá thấp tầm quan trọng của những cư dân nhỏ bé này. Chúng đóng vai trò quan trọng trong dinh dưỡng thực vật, ảnh hưởng đến sức khỏe cây trồng, tăng khả năng chống chịu của cây trồng với các yếu tố bất lợi như hạn hán và giúp cây trồng chống lại các tác nhân gây bệnh.

Hiểu được cách các vi sinh vật cư ngụ trong thực vật ký chủ là điều kiện tiên quyết để  các nhà khoa học tạo ra và ứng dụng các vi sinh vật có ích. Để đạt được mục đính này, các nhà nghiên cứu thường tìm hiểu cách những loài vi sinh vật riêng lẽ tương tác với thực vật. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn chưa hiểu rõ cách nhiều loài vi khuẩn đồng thời cư ngụ và tương tác với thực vật để thiết lập thành công mối quan hệ phức tạp giữa sinh vật hội sinh và thực vật ký chủ. Thông tin về cách một vi khuẩn tương tác với thực vật ký chủ của nó có thể không đại diện cho một thực tế phức tạp được quan sát ở một quần xã vi khuẩn. Thách thức thuộc về kỹ thuật, làm sao để mô tả hành vi của từng chủng vi khuẩn riêng lẻ trong một nhóm vi khuẩn với thực vật ký chủ của nó.

Để giải quyết vấn đề này, Nathan Vannier và Stéphane Hacquard đã nghiên cứu từng vi khuẩn riêng lẻ cư ngụ trên rễ thực vật trong một quần xã đa dạng, bắt đầu với những cây  thale cress không có vi khuẩn. Để rồi sau đó, họ thiết lập một quần xã vi khuẩn xác định, đại diện cho sự đa dạng ở rễ của các cây hoang dại, để nghiên cứu cách những vi khuẩn này cư ngụ ở vật chủ của chúng. Biết được tính đồng nhất của những vi khuẩn này và trang bị trình tự các vật liệu di truyền của chúng rồi sau đó mô tả đặc tính của các gen vi khuẩn đã được hoạt hóa hoặc bị ức chế trong quá trình cư ngụ ở thực vật. Sự phân tích này cho phép họ xác định được nhiều gen được biểu hiện cao ở nhiều loài vi khuẩn khác nhau trong rễ và lựa chọn các gen liên quan đến sự cư ngụ ở vật chủ. Một gen điều chỉnh độc lực của vi khuẩn và phản ứng với điều kiện bất lợi; một gen khác liên quan đến quá trình vận chuyển polyme qua màng tế bào và một nhóm gen có chức năng cảm biến phosphate. Đột biến ở bất kỳ ba trong số những gen này ở vi khuẩn sẽ gây cản trở khả năng cư ngụ của chúng ở rễ mà không ảnh hưởng đến sự phát triển của chúng trong môi trường. Do đó, phương pháp nghiên cứu của các tác giả cho phép họ xác định được một nhóm các gen cần thiết cho sự tồn tại của các loài vi khuẩn cư ngụ trong rễ thực vật.

Phương pháp mà Hacquard và nhóm nghiên cứu sử dụng cho phép họ hiểu được cả cấu trúc và chức năng của các quần xã phức tạp cư trú ở rễ cây. Các gen được xác định có thể được ứng dụng rộng rãi bởi sự đa dạng vi khuẩn cư ngụ và tồn tại trên vật chủ của chúng.

“Những kết quả của chúng tôi có khả năng mở đường cho việc nghiên cứu những lợi khuẩn có khả năng cư ngụ ở những vị trí thích hợp trên vật chủ và kích thích sức khỏe của vật chủ. Điều này không chỉ có ý nghĩa đối với nền nông nghiệp bền vững mà còn là những thành tựu trong khoa học y học”, Stéphane Hacquard nhấn mạnh.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Viện Max Planck.