Nghiên cứu làm tăng sự hiểu biết về cách vi khuẩn giúp ích cho sự sinh trưởng thực vật

Thực vật tạo các mối liên kết với các vi khuẩn trong đất nơi mà chúng sinh trưởng. Ví dụ, các cây họ đậu có được lợi ích từ mối quan hệ cộng sinh với các vi khuẩn cư ngụ trong các đốt sần ở rễ của chúng và cố định nitơ trong khí quyển giúp kích thích sự sinh trưởng cho các cây họ đậu. Nhưng có phải vi khuẩn luôn có ích lợi cho thực vật hay không? Hay sự cạnh tranh giữa các chủng vi khuẩn làm giảm ích lợi mà chúng đem lại.

Một nhóm các nhà khoa học ở đại học California đã thiết kế các thí nghiệm để trả lời các câu hỏi này và để hiểu rõ hơn về quá trình cạnh tranh. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Acmispon strigosus, một cây trồng bản địa có đốt sần ở California và một bộ gồm 8 chủng vi khuẩn cố định nitơ. Họ đã nhiễm mỗi chủng trong 8 chủng vi khuẩn cố định nitơ vào mỗi cây Acmispon strigosus và đo lường khả năng của các chủng vi khuẩn nhiễm vào cây trồng và các lợi ích mà chúng đem lại. Sau đó, họ nhiễm vào cây khác các cặp vi khuẩn để đánh giá sự cạnh tranh của mỗi chủng và ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện sự cạnh tranh giữa các vi khuẩn có lợi trong đất làm giảm lợi ích mà chúng đem lại cho cây trồng.

Arafat Rahman (thứ hai từ trái) vàd Max Manci (bên phải) cùng các đồng nghiệp tại ruộng thí nghiệm.

Joel Sachs, giáo sư tiến hóa, sinh thái học, vi sinh vật học và là trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi nhận thấy sự cạnh tranh giữa các chủng vi khuẩn diễn ra trong đất trước khi chúng được xâm nhập vào cây trồng dẫn đến các vi khuẩn cư ngụ trong cây ít hơn nên cây trồng cũng thu được ít lợi ích hơn. Để hiểu rõ hơn về sự cộng sinh, chúng tôi thường thực hiện thí nghiệm trong các điều kiên vô trùng, một chủng vi khuẩn được nhiễm vào một vật chủ vô trùng. Các thí nghiệm của chúng tôi được làm cho phức tạp hơn bằng cách sử dụng đồng thời hai chủng vi khuẩn, cơ bản làm thay đổi cán cân lợi ích mà cây chủ nhận được, định hình lại hiểu biết của chúng ta về hoạt động của hiện tượng cộng sinh”.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Current Biology.

Sachs đã giải thích rằng một thách thức cốt lõi trong nông nghiệp là tác dụng đòn bẩy của những lợi ích mà các chủng vi khuẩn mang đến cho cây trồng bằng cách kích thích sinh trưởng một cách bền vững mà không phải trả chi phí môi trường cho phân bón hóa học. Phòng thí nghiệm của ông nghiên cứu về Rhizobia - một loài vi khuẩn kích thích sinh trưởng thực vật. Sự cạnh tranh giữa các chủng Rhizobia là một vấn đề lâu dài cho nền nông nghiệp bền vũng. Rhizobia tạo thành các đốt sần ở rễ cây họ đậu trong đó các chủng vi khuẩn cố định nitơ cho thực vật để đổi lấy carbon từ quá trình quang hợp. Người nông dân từ lâu đã sử dụng Rhizobia để bón phân một cách bền vững cho các loài cây họ đậu chủ lực như đậu nành, đậu phộng, đậu Hà Lan, đậu cô ve, …

Sachs cho biết: “Người ta cứ nghĩ việc sử dụng Rhizobia như các chế phẩm vi sinh sẽ cho phép nông dân giảm tối thiểu lượng phân bón đạm hóa học, vốn gây nguy hại cho môi trường. Nhưng việc nhiễm Rhizobia như vậy hiếm khi thành công. Khi nông dân nhiễm Rhizobia có chất lượng tốt cố định nhiều nitơ vào cây trồng thì các chủng này sẽ bị cạnh tranh bởi các chủng Rhizobia có sẵn trong đất, vì thế chúng đem lại rất ít hoặc không đem lại lợi ích cho cây chủ”.

Trong các thí nghiệm của mình, Sachs và các cộng sự sử dụng các chủng vi khuẩn với bộ gen đã được giải trình tự. Họ cũng mô tả các chủng, từ rất có hiệu quả đến không có lợi trong việc cố định nitơ, để biết chính xác mức độ có ích của các chủng đối với các cây trồng mục tiêu. Các nhà nghiên cứu đã xem xét hơn 1.100 nốt sần, mỗi đốt sần được thu từ một cây trồng đã được nhiễm một trong tổ hợp gồm 28 chủng vi khuẩn khác nhau.

Tiếp đến, các nhà nghiên cứu đã thiết lập các mô hình toán học để dự đoán mức độ lợi ích mà các cây đồng thời thu được dựa trên sự kỳ vọng ở những cây chỉ được nhiễm một chủng vi khuẩn. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu tính toán được sự thâm hụt tăng trưởng do sự cạnh tranh giữa các chủng gây ra. “Các mô hình của chúng tôi cho thấy cây trồng nhận đồng thời ít lợi ích từ hiện tượng cộng sinh hơn so với các cây chỉ được nhiễm một chủng vi khuẩn”, theo Arafat Rahman. - cựu sinh viên tại phòng thí nghiệm của Sachs. “Các chủng vi khuẩn hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm, chúng lại kém cạnh tranh khi ở môi trường tự nhiên. Cuối cùng, chúng tôi tìm kiếm một chủng hay một tập hợp các chủng vi khuẩn để tối ưu hóa lợi ích cho cây chủ và có khả năng cạnh tranh với các chủng vi khuẩn khác có sẵn trong đất”.

Sachs giải thích rằng để tìm kiếm và phát triển một chủng vi khuẩn có nhiều lợi ích cho cây trồng thì các thí nghiệm phải được tiến hành trong điều kiện rất sạch.

Ông nói: “Cuối cùng, chúng tôi muốn sử dụng các chủng vi khuẩn có lợi trong nông nghiệp. Thông thường, để xác định các chủng vi khuẩn này chúng tôi nhiễm một chủng vi khuẩn vào một cây trồng và theo dõi xem cây này sẽ phát triển tốt hơn nhiều so với khi không có vi khuẩn đó. Tuy nhiên, trên đồng ruộng cây đó bị bao phủ bởi nhiều loại vi khuẩn khác, do đó câu chuyện trở nên phức tạp hơn. Trong các thí nghiệm của mình, chúng tôi đã chuyển từ sử dụng một chủng vi khuẩn sang sử dụng hai chủng vi khuẩn để xem tác động của chúng đến sự sinh trưởng của cây trồng. Thật thú vị, chỉ với hai chủng vi khuẩn, nhiều dự đoán của chúng tôi đã thất bại”. 

Rahman nhấn mạnh trong khi các thí nghiệm là cần thiết để xác định mức độ có lợi của một chủng vi khuẩn, cũng cần có những thí nghiệm khác để kiểm tra mức độ cạnh tranh của chủng này với một nhóm các chủng vi khuẩn khác.

Ông nói: “Cả hai bước đều rất quan trọng. Công việc của chúng tôi đã tìm được một số chủng tốt nhất đem lại lợi ích cao cho sự sinh trưởng của cây trồng, nhưng khi bạn ghép nó với bất kỳ chủng nào khác thì lợi ích đó sẽ giảm đi. Hơn nữa, điều quan trọng là phải biết sự cạnh tranh xảy ra ở giai đoạn nào: trước hay sau khi vi khuẩn có ích xâm nhiễm vào cây trồng. Công việc của chúng tôi tạo ra các hướng dẫn hữu ích để thiết kế các thí nghiệm trong tương lai nhằm tìm kiếm các chủng tốt hơn cho cây trồng”.

Sachs nói trong rất nhiều thí nghiệm hiện nay thì trọng tâm là lợi ích của cây trồng.

Ông nói: “Tuy nhiên, cần phải nhớ là vi khuẩn được tạo thành từ chọn lọc tự nhiên. Một số chủng có tính cạnh tranh cao có thể cư ngụ trong đốt sần để xâm nhiễm vào cây trồng nhưng không đem lại lợi ích cho cây trồng, đây có lẽ là tính trạng vượt trội trong tự nhiên. Nếu chúng ta muốn sử dụng các quần xã vi khuẩn này cho thực vật và động vật thì chúng ta cần phải hiểu sự cạnh tranh  giữa các quần xã này”.

Theo Sachs và Rahman, các hoạt động tăng trưởng bền vững cần phải là một khía cạnh quan trọng của nền nông nghiệp để nuôi sống dân số ngày càng tăng trên cơ sở nguồn tài nguyên hạn chế.

“Điều này đòi hỏi phải bỏ qua các phương pháp gây ô nhiễm như bổ sung một lượng lớn phân bón đạm hóa học vào đất. Hiểu được cách đưa các vi khuẩn có lợi vào vật chủ là một thách thức trong y học, nông nghiệp và chăn nuôi. Bằng cách công bố sự cạnh tranh giữa các chủng có thể làm giảm lợi ích của hiện tượng cộng sinh đem lại, công việc của chúng tôi đã mở ra những hướng nghiên cứu mới để cải thiện các hoạt động nông nghiệp bền vững”, theo Sachs.

Nguyễn Thị Kim Thoa theo Đại học California.