Nghiên cứu về lúa cho thấy nồng độ CO₂ tăng cao thúc đẩy quá trình hấp thu chất dinh dưỡng cộng sinh

Nghiên cứu của nhóm Cereal Symbiosis cho thấy nồng độ carbon dioxide (CO₂) gia tăng ảnh hưởng như thế nào đến quá trình hấp thu dinh dưỡng ở cây lúa, đồng thời nhấn mạnh vai trò quan trọng của các loài nấm đất có ích như một yếu tố hỗ trợ thiết yếu trong việc duy trì năng suất cây trồng và khả năng tích trữ carbon trong bối cảnh khí hậu đang biến đổi.

Khi nồng độ carbon dioxide (CO₂) trong khí quyển tiếp tục gia tăng, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tìm hiểu khả năng thích nghi của những cây trồng thiết yếu đối với biến đổi khí hậu. Mặc dù nồng độ CO₂ cao hơn có thể thúc đẩy quá trình quang hợp và sinh trưởng ở các loại cây ngũ cốc như lúa, những lợi ích này thường bị hạn chế bởi khả năng cung cấp các chất dinh dưỡng thiết yếu, đặc biệt là phospho (P).

Một nghiên cứu mới của Khoa Khoa học Thực vật, được công bố trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), đã làm rõ cách cây lúa điều chỉnh chiến lược hấp thu dinh dưỡng khi nồng độ CO₂ tăng cao. Nghiên cứu do nhóm Cereal Symbiosis tại Cambridge thực hiện, phối hợp với các nhà khoa học từ Đại học Copenhagen, cho thấy cây lúa có sự thay đổi đáng kể trong mối quan hệ với các loài nấm đất có ích nhằm duy trì sinh trưởng trong điều kiện khí hậu tương lai.

Sức mạnh của mối quan hệ cộng sinh

Hầu hết các loài thực vật trên cạn, trong đó có các cây ngũ cốc như lúa, thường hấp thu phospho theo hai con đường: Trực tiếp thông qua hệ rễ hoặc thông qua mối quan hệ cộng sinh với nấm rễ cộng sinh (AM). Trong quá trình trao đổi carbon – phospho này, cây cung cấp carbon dưới dạng đường và lipid cho nấm, trong khi hệ sợi nấm lan rộng trong đất, hoạt động như một “hệ rễ thứ hai”, giúp cây khai thác phospho ở những khu vực mà rễ cây không thể vươn tới.

Nghiên cứu cho thấy ở điều kiện CO₂ tăng cao (900 ppm), cây lúa tăng đáng kể mức độ phụ thuộc vào mối quan hệ cộng sinh với nấm. Đáng chú ý, nguyên nhân không phải do cây tăng cường tín hiệu để thu hút nấm đất, mà do lượng carbon bổ sung từ quá trình quang hợp gia tăng đã thúc đẩy nấm sinh trưởng mạnh hơn và nâng cao hiệu quả trao đổi dinh dưỡng giữa cây và nấm.

PT11 – Điểm kiểm soát di truyền

Các nhà nghiên cứu đã xác định một protein vận chuyển phosphat chuyên biệt, PT11, đóng vai trò như một “điểm kiểm soát” điều phối phản ứng này. Thông qua nghiên cứu một dòng lúa đột biến thiếu protein vận chuyển PT11, nhóm nghiên cứu chứng minh rằng PT11 hoạt động như một “cổng kiểm soát” tại chỗ. Khi PT11 vận chuyển phospho từ nấm vào cây thành công, nó kích hoạt một loạt thay đổi, qua đó ức chế con đường hấp thu phospho trực tiếp của cây và tái cấu trúc hệ rễ.

Giáo sư Uta Paszkowski, Trưởng nhóm Cereal Symbiosis và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Kết quả cho thấy nồng độ CO₂ tăng cao thúc đẩy quá trình hấp thu dinh dưỡng cộng sinh với thông qua PT11, protein này đóng vai trò điều phối chiến lược dinh dưỡng của toàn bộ hệ rễ. Đáng chú ý, số lượng rễ bên nhỏ giảm đáng kể – đây vốn là những bộ phận chủ yếu đảm nhiệm việc tìm kiếm và hấp thu dinh dưỡng trực tiếp từ đất – khi cây chuyển nguồn lực sang đầu tư cho mối quan hệ cộng sinh với nấm”.

Làn sóng phiên mã

Bên cạnh những thay đổi về mặt vật lý, nghiên cứu còn sử dụng phương pháp phân tích hệ phiên mã tiên tiến để cho thấy quá trình cộng sinh diễn ra theo từng “làn sóng”. Làn sóng đầu tiên liên quan đến các tín hiệu ban đầu giúp cây thích nghi và thiết lập quan hệ với nấm, trong khi làn sóng thứ hai, phụ thuộc vào PT11, cần thiết để kích hoạt đầy đủ các chương trình trao đổi chất và trao đổi dinh dưỡng của cây.

Ở điều kiện CO₂ cao, làn sóng thứ hai diễn ra mạnh mẽ hơn, đồng thời ức chế các con đường hấp thu dinh dưỡng cạnh tranh và làm thay đổi cả cơ chế phòng vệ hóa học bên trong cây. Điều này cho thấy khi nồng độ CO₂ tăng cao, trạng thái cộng sinh có thể trở thành yếu tố quan trọng chi phối cách các loại cây trồng như lúa quản lý nguồn tài nguyên của mình.

Chai Hao Chiu, nghiên cứu viên sau tiến sỹ thuộc nhóm Cereal Symbiosis và là tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: “Nồng độ CO₂ tăng cao giúp quá trình trao đổi giữa cây lúa và nấm cộng sinh đạt hiệu quả cao hơn. Do quá trình vận chuyển phosphat thông qua PT11 là động lực thúc đẩy chương trình cộng sinh, cây ưu tiên con đường hấp thu thông qua nấm thay vì chỉ tăng cường hệ thống hấp thu trực tiếp của chính mình. Nếu kết quả này được xác nhận trong điều kiện đồng ruộng, việc chọn tạo giống dựa trên khả năng cộng sinh sẽ có vai trò quan trọng không kém so với chọn tạo giống có khả năng hấp thu dinh dưỡng trực tiếp”.

Bảo đảm năng suất cây trồng trong tương lai

Hiểu rõ các cơ chế này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển những giống cây trồng có khả năng thích ứng với điều kiện khí hậu tương lai. Việc xác định các con đường di truyền cụ thể chi phối sự cân bằng giữa nguồn carbon và nhu cầu dinh dưỡng ở cây lúa sẽ giúp các nhà nghiên cứu dự đoán tốt hơn khả năng sinh trưởng và năng suất của từng giống khi điều kiện khí quyển thay đổi.

Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để đưa tương tác giữa cây trồng và vi sinh vật vào các chiến lược toàn cầu về sản xuất lương thực bền vững và quản lý carbon. Khi Trái đất tiếp tục ấm lên, mối quan hệ cộng sinh âm thầm dưới lòng đất có thể trở thành một trong những yếu tố quan trọng giúp duy trì an ninh lương thực toàn cầu.

Sức mạnh của hợp tác quốc tế

Những kết quả nghiên cứu không chỉ làm nổi bật vai trò quan trọng của mối quan hệ cộng sinh dưới lòng đất, mà còn cho thấy giá trị to lớn của sự hợp tác khoa học xuyên biên giới.

Giáo sư danh dự Iver Jakobsen, Đại học Copenhagen, người khởi xướng nghiên cứu và đồng tác giả bài báo, cho biết: “Nghiên cứu này cho thấy các dự án khoa học có thể phát triển theo những hướng không ngờ tới và tạo ra những phát hiện mới. Mục tiêu ban đầu của chúng tôi là tìm hiểu tại sao mối quan hệ cộng sinh với nấm rễ đôi khi lại làm chậm quá trình sinh trưởng của cây. Giờ đây, chúng tôi rất phấn khởi khi thiết kế thí nghiệm kết hợp với chuyên môn xuất sắc của các đồng nghiệp tại Đại học Cambridge đã cho thấy vai trò của nấm rễ trong hấp thu dinh dưỡng của cây có thể ngày càng quan trọng trong điều kiện khí hậu tương lai”.

Giáo sư Paszkowski chia sẻ: “Nghiên cứu này cho thấy sức mạnh của sự hợp tác – không chỉ trong mối quan hệ cộng sinh giữa cây và nấm mà còn trong hợp tác học thuật. Tôi rất vui khi được tham gia nghiên cứu này, bởi công trình sẽ không thể thực hiện nếu thiếu sự phối hợp và chuyên môn bổ trợ của các đồng nghiệp tại Copenhagen cũng như tại Cambridge”.

Cao Thị Hải Yến theo Đại học Cambridge.