Nghiên cứu xác định các cụm gen trong vi khuẩn nốt sần liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ của cây họ đậu

Nghiên cứu sinh tiến sỹ Ivan Sosa Marquez (bên trái) tại Illinois, cùng Giáo sư sinh học thực vật Katy Heath và các đồng nghiệp đã xác định các cụm gen trong vi khuẩn đất giúp tăng cường sự phát triển của cây. Nguồn: Michelle Hassel.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học đã sử dụng hầu hết mọi công cụ trong bộ công cụ (bộ kit) của họ – nghiên cứu bộ gen, nghiên cứu quá trình phiên mã, thí nghiệm nhà kính và các phương pháp thống kê tiên tiến – để có được cái nhìn mới sâu sắc về các tương tác hóa học phức tạp diễn ra trong các nốt sần rễ sâu dưới đất, nơi các cây họ đậu như đậu nành trao đổi các chất dinh dưỡng quan trọng với các vi sinh vật đất gọi là vi khuẩn nốt sần.

Được báo cáo trong Proceedings of the National Academy, nghiên cứu của họ đã xác định các cụm gen của vi khuẩn nốt sần dường như di chuyển nhanh chóng qua các quần thể vi khuẩn và thúc đẩy sinh khối thực vật lớn hơn ở cây chủ. Các nhà nghiên cứu cho biết việc hiểu được sự tương tác giữa bộ gen của cây chủ và vi khuẩn sẽ giúp nỗ lực tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng bằng cách cải thiện vùng rễ.

Katy Heath là giáo sư sinh học thực vật tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, là người dẫn đầu nghiên cứu cùng giáo sư sinh học thực vật Amy Marshall-Colón tại Illinois cho biết: “Cũng giống như chúng ta, cây cối chứa đầy vi khuẩn và một số hình thành các mối quan hệ cộng sinh chặt chẽ này, nơi mà lịch sử tiến hóa đã định hình nên một sự tương tác rất mật thiết. Các loại đậu như đậu nành, đậu Hà Lan hoặc đậu phộng phát triển những mối quan hệ đặc biệt này với vi khuẩn nốt sần”.

Vi khuẩn nốt sần “cố định” nitơ khí quyển bằng cách chuyển đổi nó thành dạng mà cây có thể sử dụng, Heath nói. Đổi lại, cây họ đậu cung cấp cho vi khuẩn nốt sần các loại đường giàu carbon, “đó là những gì cây tạo ra khi chúng quang hợp”.

Thay vì khám phá vai trò của một hoặc hai gen tại một thời điểm, Heath và các đồng nghiệp của cô muốn có cái nhìn toàn diện hơn về sự biến đổi trong các trao đổi này. Họ đã chuyển sang một hệ thống mô hình để nghiên cứu những tương tác như vậy, họ ghép cây họ đậu Medicago truncatula là một họ hàng gần của cỏ linh lăng trông giống cỏ ba lá với vi khuẩn cộng sinh Sinorhizobium meliloti.

Trong một thí nghiệm nhà kính, nhóm nghiên cứu đã xâm nhiễm cho mỗi cây M. truncatula với một trong 20 chủng vi khuẩn nốt sần. Các chủng S. meliloti khác nhau về mặt di truyền nhưng vẫn thuộc cùng một loài. Heath cho biết một số chủng luôn giúp cây phát triển tốt hơn. Sau khi cây và vi khuẩn hình thành các nốt sần trên rễ, tại vị trí trao đổi, các nhà nghiên cứu đã nhổ các nốt sần này và đông lạnh chúng để tiến hành phân tích thêm.

Nhóm nghiên cứu đã phân tích “bộ phiên mã” của từng nốt sần. Bộ phiên mã chứa tất cả RNA được tạo ra bởi một sinh vật – hoặc trong trường hợp là hai sinh vật – cung cấp một bức tranh rõ ràng về mọi gen đang được biểu hiện.

Khi các nhà nghiên cứu xác định được các gen của cây và vi khuẩn nào đang được biểu hiện ở mức cao hơn trong các nốt sần liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ nhất của cây, họ đã giải trình tự bộ gen tham chiếu chất lượng cao của từng chủng vi khuẩn.

Heath nói rằng việc giải thích dữ liệu là một nhiệm vụ khó khăn.

Bà nói: “Vi khuẩn có các quá trình di truyền khác với chúng ta. Trong di truyền học cổ điển, chúng ta thường nghĩ nhiều về dòng di truyền theo chiều dọc từ cha mẹ sang con cái – và chúng cũng làm điều đó. Nhưng sau đó, chúng cũng trao đổi gen theo chiều ngang khi chúng va chạm với các vi khuẩn khác – trong cùng một loài hoặc giữa các loài khác nhau. Sự phức tạp của quá trình chuyển gen theo chiều ngang là rất lớn”.

Heath cho biết S. meliloti có hai nguồn DNA: Một nhiễm sắc thể sơ cấp lớn, được thừa hưởng từ một vi khuẩn “cha mẹ” khi nó phân chia; và hai plasmid khổng lồ, mỗi plasmid chứa khoảng một nửa số gen so với nhiễm sắc thể. Plasmid là những đoạn DNA dạng vòng, di động hơn DNA nhiễm sắc thể và là nơi chuyển gen theo chiều ngang, cho phép vi khuẩn tiếp nhận gen mới từ các vi khuẩn lân cận. Việc chuyển gen ngang thậm chí cho phép vi khuẩn tiếp nhận các gen cần thiết để trở thành vi khuẩn nốt sần.

Marshall-Colón và nhà nghiên cứu sau tiến sỹ Riwan Riaz đã tiến hành các phân tích thống kê chi tiết và mô hình hóa mạng lưới gen để xác định các gen của vi khuẩn nốt sần nào liên quan đến sự phát triển mạnh mẽ hơn của cây. Các bộ gen tham chiếu rất hữu ích để hiểu được các gen nào có mặt và chúng nằm ở đâu trong DNA nhiễm sắc thể hoặc plasmid. Điều này dẫn đến việc phát hiện ra rằng nhiều gen quan tâm được nhóm lại với nhau trong plasmid.

Các thí nghiệm tiếp theo do giáo sư khoa học vi sinh vật học tại Đại học Bang Bắc Dakota và đồng tác giả nghiên cứu Barney Geddes dẫn đầu, liên quan đến việc xóa các gen được chỉ định. Ivan Sosa Marquez là sinh viên tốt nghiệp ngành vi sinh vật học tại Đại học Illinois đã kiểm tra tác động của việc xóa các gen này đối với sự tăng trưởng của cây, xác nhận rằng các gen được xác định là quan trọng đối với sự tăng trưởng mạnh mẽ của cây.

Heath cho biết: “Chúng tôi không cố gắng nói rằng đây là những gen quan trọng trong tất cả các vi khuẩn nốt sần ở tất cả các cây họ đậu. Nhưng chúng tôi hiểu được mức độ biến dị mà chọn lọc tự nhiên tác động”.

Heath nói: “Nghiên cứu này cung cấp một bức tranh tổng quan về một bộ gen của S. meliloti, mà chỉ một số chủng có và dường như thúc đẩy sự phát triển của một loài cây họ đậu. Bản thân các gen này ít có khả năng ứng dụng phổ biến hơn so với phương pháp chúng tôi đã phát triển vốn có thể áp dụng cho nhiều lĩnh vực khác”.

Bà nói thêm: “Những khía cạnh di truyền vi sinh vật mà chúng tôi đang khai thác là những khía cạnh quan trọng đối với năng suất nông nghiệp, sự tăng trưởng của vật nuôi và sức khỏe con người. Chính những gen này đang di chuyển xung quanh và chúng tôi không biết tại sao. Và chúng đang hoạt động với phần còn lại của bộ gen theo những cách thực sự phức tạp”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Đại học Illinois Urbana-Champaign.