Một vi sinh vật đồng hành thân thiện

Nghiên cứu mới của Đại học Delaware cho thấy vi sinh vật có thể tăng hàm lượng protein trong các loại cây trồng chính

Cuộc cách mạng xanh giai đoạn 1950–1970 đã giúp ngành nông nghiệp phát triển mạnh mẽ trên toàn thế giới. Những tiến bộ trong công nghệ cho phép nông dân mở rộng quy mô sản xuất, giúp cải thiện cách thức tưới tiêu và bón phân cho cây trồng.

Những tiến bộ công nghệ – đặc biệt là việc sử dụng phân bón – đã mở đường cho cây trồng phát triển cao hơn, đất đai màu mỡ hơn và năng suất cây trồng tăng lên đáng kể.

Alex Pipinos là tác giả chính và cũng là sinh viên tốt nghiệp Đại học Delaware năm 2025 với bằng thạc sỹ vi sinh vật học, đang nghiên cứu về nuôi cấy vi khuẩn Streptomyces coelicolor.

Tất cả những đặc điểm này được gọi là các đặc tính “trên mặt đất”.

Tuy nhiên, Harsh Bais là giáo sư sinh học thực vât tại Đại học Delaware, người vừa được vinh danh là Đại sứ Đổi mới vào đầu năm nay cho biết những đặc tính “dưới mặt đất” của thực vật chẳng hạn như mức độ giàu dinh dưỡng của chúng từ lâu đã bị xem nhẹ.

Bais nhận định: “Xét về vấn đề an ninh lương thực, chúng ta sẽ phải đối mặt với những thách thức lớn vào năm 2050 khi dân số thế giới tăng gấp đôi. Hiện nay, chúng ta khuyến khích nông dân tập trung vào sản lượng cây trồng; tuy nhiên, chúng ta chưa có chính sách khuyến khích việc trồng các loại cây giàu dinh dưỡng. Việc phát triển các giống cây trồng giàu dinh dưỡng sẽ giúp đảm bảo nguồn thực phẩm chất lượng hơn cho cộng đồng và nguy cơ thiếu hụt dưỡng chất”.

Theo Bais vấn đề nằm ở chỗ hầu hết các loại cây lương thực chủ lực như ngô và đậu nành hiện nay không được canh tác theo phương pháp giúp tăng hàm lượng dinh dưỡng trong cây.

Bais cho biết: “Chúng ta cần quan tâm đến các chất dinh dưỡng bởi vì thực phẩm của chúng ta chủ yếu là thực vật. Ở thời điểm hiện tại, phần lớn các loại cây lương thực chủ lực được sản xuất hàng loạt mà không chú trọng đến việc nâng cao hàm lượng dinh dưỡng”.

Rễ cây lúa mì được xâm nhiễm vi khuẩn lành tính Streptomyces coelicolor. Hình ảnh cho thấy sự hiện diện của vi khuẩn trên lông hút vào ngày thứ 5.

Các chất dinh dưỡng đóng vai trò nuôi dưỡng cơ thể con người, giúp duy trì sức khỏe. Con người cần các axit amin giàu dinh dưỡng để cơ thể tổng hợp protein. Trong nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Frontiers in Microbiology, Bais cùng nhóm nghiên cứu từ Đại học Delaware, Trung tâm nghiên cứu Nước Stroud và Viện Rodale đã khảo sát cách một loại vi khuẩn có lợi, vốn tồn tại tự nhiên trong đất, có thể tăng cường hàm lượng axit amin và chất chống oxy hóa ergothioneine ở cây lúa mì vụ xuân. Kết quả nghiên cứu mang lại những biểu hiện mới về việc nâng cao giá trị dinh dưỡng của cây trồng trong tương lai. Nghiên cứu được tài trợ bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ và Quỹ Nghiên cứu Thực phẩm và Nông nghiệp.

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành trồng lúa mì vụ xuân – một trong những loại cây ngũ cốc được tiêu thụ rộng rãi nhất – trong phòng thí nghiệm. Sau khi để hạt giống nảy mầm và phát triển trong bảy ngày, họ bổ sung một chủng vi khuẩn có tên là Streptomyces coelicolor M145 vào hệ rễ cây lúa mì vụ xuân.

Sau khi kết hợp vi khuẩn với cây trồng, các nhà nghiên cứu đã tách riêng phần lá và rễ của cây. Tiếp đó, họ tiến hành chiết xuất axit amin ergothioneine từ các mẫu này, nhằm xác định hàm lượng protein có trong rễ và chồi của cây.

Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng, sau 10 ngày kể từ khi chủng vi khuẩn S. coelicolor được bổ sung vào rễ cây lúa mì vụ xuân, vi khuẩn này có khả năng xâm nhập vào cả rễ và chồi cây lúa mì vụ xuân, sản xuất ergothioneine, vượt qua các cơ chế phòng vệ tự nhiên của cây và tăng cường sức chống chịu cho cây lúa mì vụ xuân.

Rễ lúa mì được xâm nhiễm vi khuẩn lành tính Streptomyces coelicolor cho thấy sự hiện diện của vi khuẩn trên các lông tơ của lá vào ngày thứ 10. Hình ảnh cho thấy vi khuẩn có thể thích nghi với lối sống nội sinh ở thực vật, nghĩa là chúng có khả năng sống bên trong cây.

Bais nhận định: “Điều này thật bất thường. Trừ khi tồn tại một lợi ích tương hỗ cho cả cây trồng lẫn vi sinh vật”.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng có thể áp dụng một phương pháp lai tạo cây trồng thay thế, nhằm liên kết cây trồng với các vi sinh vật lành tính để tăng hàm lượng protein trong các loại cây lương thực chủ lực. Hầu hết các loại ngũ cốc đều có hàm lượng protein rất thấp. Hãy nghĩ đến gạo và các loại ngũ cốc ăn sáng, những thực phẩm phổ biến mà con người thường sử dụng đều được sản xuất từ các loại cây trồng này.

Bais nhận định: “Phương pháp khai thác mối liên kết tự nhiên giữa vi sinh vật và cây trồng này có thể tạo điều kiện thuận lợi cho việc bổ sung dinh dưỡng cho các loại cây trồng chủ lực của chúng ta, qua đó tăng cường an ninh dinh dưỡng toàn cầu”.

Bais cho rằng việc sử dụng vi sinh vật để vận chuyển chất dinh dưỡng phụ thuộc vào mối quan hệ giữa vi sinh vật với hệ rễ của cây trồng. Ông vẫn tiếp tục nghiên cứu nhằm thúc đẩy quá trình xâm nhập và định cư vào hệ rễ cây của các vi sinh vật có lợi.

Bais cho biết: “Việc thiết lập mối quan hệ hợp tác giữa cây trồng với các loại vi sinh vật hoặc tổ hợp vi sinh vật phù hợp là một phương pháp kỹ thuật hóa vùng rễ – khu vực đất gần hệ rễ cây – nhằm tạo ra môi trường thuận lợi hơn cho các mối liên kết vi sinh vật thúc đẩy các đặc tính tăng trưởng của cây hoặc nâng cao khả năng hấp thụ dinh dưỡng, đây chính là hướng đi tiếp theo”.

Các nhà khoa học ngày càng quan tâm đến vi khuẩn đất như một giải pháp để giải quyết các vấn đề suy dinh dưỡng và thiếu hụt dưỡng chất. Alex Pipinos là tác giả chính của nghiên cứu và cũng là thạc sỹ vi sinh vật học tốt nghiệp tại Đại học Delaware năm 2025 cho biết các điều kiện môi trường thay đổi là một yếu tố làm giảm hàm lượng protein trong cây trồng.

Pipinos nói rằng: “Về cơ bản, cây trồng đang ngày càng giảm hàm lượng dinh dưỡng. Càng nhiều chất dinh dưỡng trong cây trồng, con người càng khỏe mạnh”.

Pipinos chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa vi sinh vật đất, sức khỏe cây trồng và sức khỏe con người. Bà cho biết ergothioneine đã được chứng minh là làm giảm nguy cơ mắc bệnh tim mạch. Hợp chất này cũng đã được xác nhận có khả năng chống lại sự suy giảm nhận thức, mối liên hệ chặt chẽ với quá trình lão hóa sức khỏe nhận thức.

Pipinos phát biểu: “Bằng cách tăng cường hàm lượng ergothioneine trong cây trồng, chúng ta có thể cải thiện sức khỏe con người”.

Tuy nhiên, việc nâng cao sức khỏe cộng đồng đòi hỏi nhiều nỗ lực. Andrew Smith là một trong những đồng tác giả của bài báo và là Giám đốc Khoa học của Viện Rodale, đơn vị chủ trì dự án của Quỹ Nghiên cứu Thực phẩm và Nông nghiệp nhận định rằng sức khỏe đất là yếu tố then chốt. Và điều này đồng nghĩa với việc nông dân có thể đóng một vai trò quan trọng.

Smith đặt vấn đề: “Nếu các hợp chất như ergothioneine quan trọng đến vậy, làm thế nào chúng ta có thể canh tác để hỗ trợ tăng hàm lượng các dưỡng chất thực vât này? Đây chỉ là bước khởi đầu của nghiên cứu cơ bản có thể dẫn đến nhiều ứng dụng thực tiễn hơn trong lĩnh vực nông nghiệp và thực phẩm”.

Thực tế, đây mới chỉ là bước khởi đầu. Harsh Bais của Đại học Delaware cho biết bước tiếp theo là tiến hành nghiên cứu trong điều kiện khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ cao và hạn hán, hoặc nghiên cứu được thực hiện ngoài đồng ruộng.

Bais cho biết: “Chúng tôi muốn tìm hiểu nguyên nhân và cơ chế. Chẳng hạn như tại sao ergothioneine lại củng cố sức khỏe cây trồng? Làm thế nào hợp chất này xâm nhập vào cây? Bằng cách nào nó vượt qua 10.000 lớp phòng vệ tự nhiên của cây? Và nó hỗ trợ cây trồng như thế nào khi đối mặt với các điều kiện khắc nghiệt khác nhau?”

Bùi Thị Huyền Nhung theo Đại học Delaware.