Sự hợp tác thầm lặng: cách các phân tử do rễ cây tiết ra tương tác với vi khuẩn để huy động các chất dinh dưỡng thiết yếu trong đất

Một nghiên cứu mới do Paul Schulze-Lefert từ Viện Nghiên cứu Chọn giống Cây trồng Max Planck tại Cologne chủ trì, phối hợp với Ricardo F.H. Giehl thuộc Viện Di truyền Thực vật và Nghiên cứu Cây trồng Leibniz tại Gatersleben đã làm sáng tỏ cách các loài thực vật thuộc chi Arabidopsis điều chỉnh cơ chế giao tiếp hóa học với hệ vi sinh vật vùng rễ. Quá trình này giúp cây tối ưu hóa khả năng hấp thụ sắt – vốn ở dạng khó hấp thụ – từ các loại đất có tính axit hoặc đất chứa nhiều vôi. Nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Cell.

Cây Arabidopsis sử dụng các loại hợp chất coumarin khác nhau do rễ tiết ra để kích hoạt các con đường sinh hóa riêng biệt của vi khuẩn nhằm huy động sắt khó hấp thụ sinh học từ đất có độ pH khác nhau. Hình ảnh minh họa một cây Arabidopsis cùng với một chủng vi khuẩn Pseudomonas có khả năng phát huỳnh quang cư trú tại vùng rễ, cho thấy cách thực vật chịu ảnh hưởng từ môi trường vi sinh vật xung quanh. Sự phát huỳnh quang này bắt nguồn từ pyoverdine, là một loại siderophore (phân tử vận chuyển sắt) do vi khuẩn tiết ra. Nghiên cứu chỉ ra rằng, ở môi trường có độ pH gần trung tính, pyoverdine đóng vai trò quan trọng trong quá trình huy động sắt, phối hợp cùng với các hợp chất coumarin.( Nguồn: Milena Malisic, Charles Copeland)

Sắt là nguyên tố thiết yếu cho sự phát triển của thực vật, tuy nhiên trong nhiều loại đất, cây trồng lại không thể tiếp cận được nguồn dưỡng chất này. Nguyên nhân nằm ở đặc tính hóa học: Phần lớn sắt tồn tại ở các dạng không hòa tan mà rễ cây không thể trực tiếp hấp thụ. Để khắc phục, thực vật đã phát triển những cơ chế riêng để huy động và thu nhận vi chất quan trọng này từ đất. Những cơ chế tiềm ẩn đó đóng vai trò then chốt đối với sự phát triển khỏe mạnh của cây trồng, đồng thời quyết định năng suất của các loại cây lương thực – nền tảng duy trì hệ thống thực phẩm toàn cầu.

Tất cả các loài thực vật khỏe mạnh sinh trưởng trong đất tự nhiên đều là nơi cư trú của một cộng đồng vi sinh vật đa dạng, được gọi là hệ vi sinh vật (microbiota). Để đối phó với tình trạng thiếu sắt, các loài thực vật như Arabidopsis thaliana và nhiều loài cây trồng khác kích hoạt một phản ứng phức tạp nhằm thích ứng với tình trạng thiếu sắt. Cơ chế này bao gồm việc giải phóng các phân tử chuyên biệt, thường là các hợp chất coumarin, từ rễ cây vào vùng đất bao quanh rễ cây và đây là nơi sinh sống của hệ vi sinh vật vùng rễ. Các hợp chất coumarin tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau. Cây Arabidopsis điều chỉnh sự giải phóng các loại hợp chất coumarin khác nhau tùy thuộc vào độ pH của đất: Sideretin là loại coumarin chính được rễ tiết ra trong đất chua, trong khi đó, lượng fraxetin được giải phóng nhiều hơn trong đất giàu canxi. Những hợp chất này có khả năng huy động sắt từ các dạng không khả dụng về mặt sinh học; đây được xem là một cơ chế thích nghi với độ pH của đất nhằm tối ưu hóa quá trình hấp thụ sắt. Tuy nhiên, có một điều nghịch lý là ngay cả khi được trồng trong môi trường thiếu hệ vi sinh vật cộng sinh vùng rễ, các loài thực vật này vẫn rơi vào tình trạng thiếu sắt.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng vi khuẩn liên kết với rễ có thể giúp cây trồng vượt qua tình trạng thiếu sắt, trong đó fraxetin đóng vai trò then chốt ở các loại đất đá vôi có độ pH gần trung tính. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ liệu các vi khuẩn vùng rễ có hỗ trợ quá trình hấp thụ sắt thích ứng với độ pH thông qua việc phối hợp với các loại hợp chất coumarin khác nhau được giải phóng hay không, và các hợp chất coumarin này tương tác với vi khuẩn như thế nào.

Sự giao tiếp bằng tín hiệu hóa học với các trợ thủ nhỏ bé tạo nên hiệu ứng hiệp đồng

Thông qua việc áp dụng các phương pháp di truyền và hóa học trên thực vật và vi khuẩn, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng sideretin và fraxetin tương tác với nhiều loại vi khuẩn sống quanh rễ cây, giúp huy động sắt trong đất và làm cho nguyên tố này trở nên dễ hấp thụ hơn đối với thực vật. Điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù cây trồng vẫn giải phóng các hợp chất coumarin này tùy theo độ pH ngay cả khi không có vi sinh vật, nhưng chức năng huy động sắt của chúng chỉ thực sự phát huy tối đa thông qua sự hiệp đồng với hệ vi sinh vật vùng rễ.

Các phân tích sâu hơn đã tiết lộ hai cơ chế huy động sắt mà thông qua đó vi khuẩn tương tác với các hợp chất coumarin đặc hiệu theo độ pH.

Ở môi trường có pH axit, sắt hóa trị ba Fe(III) – dạng phổ biến trong đất nhưng không ở trạng thái sinh học khả dụng – sẽ bị khử thành sắt hóa trị hai Fe(II) dễ hòa tan hơn, thông qua một quá trình gọi là hòa tan khử (reductive dissolution). Quá trình này để lại sideretin ở dạng oxy hóa, không còn hoạt tính. Vi khuẩn tương tác với sideretin thông qua một cơ chế cảm nhận trạng thái oxy hóa - khử. Theo cơ chế này, các phân tử sideretin đã qua sử dụng được cho là sẽ được vi khuẩn hấp thụ để tái chế, sau đó giải phóng trở lại vùng rễ nhằm tiếp tục khử thêm sắt hóa trị ba Fe(III). Quá trình này được gọi là cơ chế vận chuyển oxy hóa - khử của vi khuẩn.

Ngược lại, ở pH gần trung tính, quá trình huy động Fe(III) diễn ra thông qua sự tương tác giữa hợp chất coumarin fraxetin và siderophore của vi khuẩn. Siderophore là các phân tử được vi khuẩn sản sinh và giải phóng nhằm thu nhận sắt khi chúng phát hiện tình trạng thiếu hụt sắt. Fraxetin dường như đã chuyến hướng một phần sắt được huy động bởi siderophore để cây hấp thụ sắt.

Hai đặc tính này của vi khuẩn hiện diện phổ biến trong hệ vi sinh vật vùng rễ. Điều đó cho thấy các quá trình của vi khuẩn nêu trên có thể đã tiến hóa từ rất lâu trước khi thực vật trên cạn xuất hiện. Chúng đóng vai trò quan trọng trong cách vi khuẩn thích nghi với những thay đổi của điều kiện môi trường đất. Do đó, thực vật tận dụng các đặc điểm vi sinh vật cổ xưa này thông qua việc tiết ra các hợp chất coumarin, nhằm huy động sắt và khắc phục tình trạng thiếu sắt.

Phần lớn các vi khuẩn cộng sinh rễ được thử nghiệm đều có khả năng giúp cây trồng khắc phục tình trạng thiếu sắt khi cùng nuôi cấy trong phòng thí nghiệm ở các điều kiện pH khác nhau. Kết quả này không phụ thuộc vào việc vi khuẩn được thu thập từ các loại cây trồng trong đất đủ sắt hay đất thiếu sắt. Điều này cho thấy khả năng huy động sắt của vi khuẩn ở các mức pH khác nhau là một đặc điểm phổ biến trong nhiều loại đất. Như vậy, cây trồng có thể linh hoạt kích hoạt hai cơ chế vi khuẩn nêu trên khi cần, thông qua việc giải phóng các hợp chất coumarin khác nhau để phản ứng với độ pH của đất.

Nhìn chung, các kết quả cho thấy việc giải phóng các dạng hóa học coumarin khác nhau phụ thuộc vào độ pH là một đặc điểm thích nghi cho phép thực vật hấp thụ sắt trong môi trường vi sinh vật với độ pH đất thay đổi.

Cây trồng cũng kêu gọi những trợ thủ nhỏ bé để thu nhận phốt phát

Trong một nghiên cứu gần đây của một nhóm quốc tế có sự tham gia của Paul Schulze-Lefert thuộc viện MPIPZ, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng cây Arabidopsis có khả năng phối hợp với các vi khuẩn sống quanh rễ để huy động phốt pho, là một dưỡng chất thiết yếu từ đất. Cũng giống như sắt, phần lớn phốt pho trong đất tồn tại ở dạng bị khóa chặt, khiến cây trồng không thể hấp thụ được.

Khi phốt pho trở nên khan hiếm, rễ cây Arabidopsis sẽ giải phóng malate. Thay vì trực tiếp chiết tách một lượng lớn phốt pho, malate đóng vai trò như một tín hiệu “kêu gọi hỗ trợ”, thu hút các loại vi khuẩn có khả năng hòa tan phốt pho đến bề mặt rễ.

Khi đến bề mặt rễ, các vi khuẩn chuyển sang một lối sống mới. Chúng tiêu thụ các hợp chất carbon và nitơ do cây chủ cung cấp, đồng thời kích hoạt những cơ chế giúp giải phóng phốt pho từ các nguồn vô cơ và hữu cơ vốn không thể tiếp cận được theo cách thông thường. Lượng phốt pho này sau đó hỗ trợ sự phát triển của vi khuẩn lẫn cây trồng.

Ứng dụng trong nông nghiệp bền vững

Mặc dù có nhiều cơ chế khác nhau để khắc phục tình trạng thiếu hụt sắt hoặc phốt pho, cây trồng vẫn tiết ra các phân tử đặc hiệu khiến các vi sinh vật xung quanh hỗ trợ sự sinh trưởng, phát triển của cây.

Kiến thức nền tảng này đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển có định hướng các vi sinh vật dùng làm phân bón sinh học hoặc các phân tử mô phỏng sinh học trong tương lai, vốn có khả năng giúp giảm bớt việc sử dụng phân bón tổng hợp trong các hệ thống sản xuất nông nghiệp.

Theo Milena Malisic: “Thực vật chưa bao giờ tồn tại mà thiếu đi các vi sinh vật, và nhiều đặc tính của chúng có lẽ phản ánh chính lịch sử gắn kết lâu dài này. Việc làm sáng tỏ cơ sở phân tử của những tương tác có lợi với vi sinh vật sẽ mở ra các cơ hội mới cho nền nông nghiệp bền vững”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Viện Max Planck.