Thực vật kiểm soát sự đa dạng của quần thể vi sinh vật bên trong lá để tăng cường sức đề kháng

Ảnh: CC0 Public Domain.

Trong một nghiên cứu mới, được công bố trên tạp chí Nature, các nhà khoa học của Đại học bang Michigan cho thấy các gen thực vật làm thế nào lựa chọn loại vi khuẩn có ích sống trong lá của chúng để giữ sức đề kháng cho cây.

Đây là nghiên cứu đầu tiên cho thấy mối quan hệ qua lại giữa sức khỏe thực vật và sự tập hợp của cộng đồng vi sinh vật trong hệ thực vật học - bộ phận trên mặt đất của thực vật. Công trình cho thấy các sinh vật, từ thực vật đến động vật, đều có thể có thể kiểm soát hệ vi sinh vật (microbiome) của chúng.

Nghiên cứu microbiome là một chủ đề được quan tâm trong khoa học sức khỏe của con người. Khi các nhà khoa học đề cập đến "vi khuẩn đường ruột" của con người cần được cân bằng tốt nghĩa là họ muốn đề cập đến hệ vi sinh vật đường ruột, là vật liệu di truyền của tất cả các vi khuẩn sống trong hệ thống tiêu hóa của con người.

"Lĩnh vực nghiên cứu microbiome thực vật trên quy mô lớn chỉ mới được quan tâm trong khoảng một thập kỷ nay. Chúng tôi muốn biết liệu thực vật có cần một hệ vi sinh vật thực vật được tập hợp đúng cách hay không", Sheng Yang He, đồng tác giả chính của nghiên cứu, thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu thực vật MSU-DOE và Điều tra viên của Viện y tế Howard Hughes cho biết.

Gen thực vật: Nguồn vật liệu kiểm soát vi khuẩn

Trong tự nhiên, thực vật bị tấn công bởi hàng trăm vi khuẩn. Nếu mọi vi sinh vật đều được phép phát triển trong thực vật, nó có thể sinh ra một mớ hỗn độn. Các nhà nghiên cứu muốn biết liệu số lượng và loại vi khuẩn có quan trọng không, nếu có một loại vi khuẩn thật sự hoàn hảo. Và nếu thế thì thực vật có cần hệ thống di truyền để tập hợp và nuôi dưỡng microbiome không?

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thì có vẻ như thực vật đã làm điều đó. Cơ chế mới được phát hiện liên quan đến hai mạng di truyền. Một liên quan đến hệ thống miễn dịch thực vật và cái còn lại kiểm soát mức độ hydrat hóa bên trong lá. Cả hai mạng làm việc cùng nhau để chọn vi khuẩn nào sẽ tồn tại bên trong lá cây. Họ cho biết khi loại bỏ cả hai mạng khỏi thực vật, thành phần microbiome bên trong lá thay đổi. Số lượng và hỗn hợp các loại vi khuẩn là bất thường và họ phát hiện các triệu chứng tổn thương mô ở thực vật.

Các triệu chứng về mặt khái niệm giống như các triệu chứng liên quan đến bệnh viêm ruột ở người. Những gen này được tìm thấy ở hầu hết các loài thực vật, trong khi một số thậm chí có những điểm tương đồng với những gen liên quan đến miễn dịch động vật.

Theo các nhà khoa học trong phòng thí nghiệm của He thì đây có thể là lần đầu tiên có bệnh liên quan đến rối loạn sinh học được mô tả chính thức trong thế giới thực vật.

Phát triển công nghệ mới để xác định quan hệ tương quan

Lý do rất khó tìm thấy mối quan hệ tương quan trong các nghiên cứu về microbiome là vì thực tế không thể loại bỏ sự tồn tại của hàng trăm vi khuẩn.

Phòng thí nghiệm He đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển buồng tăng trưởng không có mầm bệnh, họ gọi hệ thống gnotobiotic là môi trường để nuôi các sinh vật mà trong đó tất cả các vi sinh vật đều được biết hoặc loại trừ bệnh. Hệ thống này sử dụng chất nền giống như đất than bùn, về cơ bản là đất trồng cây trong nhà kính. Họ sử dụng nhiệt và áp lực để tiêu diệt tất cả mầm bệnh trong đất, và cây có thể phát triển trong điều kiện này.

Các nhà nghiên cứu sau đó có thể đưa vi khuẩn (một, hai hoặc thậm chí là một cộng đồng vi khuẩn) vào thực vật theo kiểu được kiểm soát trong hệ thống này. Trong nghiên cứu của He, ông đã trích xuất một cộng đồng vi khuẩn từ rối loạn sinh học, hoặc bệnh, thực vật và đưa chúng vào các cây khỏe mạnh và ngược lại. Họ thấy rằng cả microbiome và hệ thống di truyền thực vật đều cần thiết cho sức khỏe thực vật.

Ví dụ, một cây có gen di truyền bị lỗi không thể tận dụng được microbiome được cấy từ cây khỏe mạnh và điều đó khiến microbiome từ từ trở lại trạng thái gây bệnh.

Mặt khác, một cây khỏe mạnh khi tiếp xúc với microbiome của cây bị bệnh cũng bị ảnh hưởng. Mặc dù nó có các công cụ di truyền để chọn đúng vi khuẩn, thì những vi khuẩn có sẵn cũng bị hạn chế, bất thường và thực vật không thể khắc phục tình hình.

Thành phần và mật độ vi khuẩn

Các nghiên cứu chỉ ra rằng sự đa dạng của microbiome tăng tương quan với sức khỏe thực vật. Bằng cách nào đó, gen thực vật khuyến khích sự đa dạng này.

Những cây bị bệnh trong nghiên cứu có số lượng vi khuẩn trong lá gấp 100 lần so với một cây khỏe mạnh. Nhưng hệ vi sinh vật ít đa dạng hơn. Để tìm hiểu lý do tại sao, các nhà khoa học đã làm hàng ngàn thí nghiệm một chọi một để đánh giá những chủng nào mạnh hơn.

Ở những cây bị bệnh, các chủng vi khuẩn proteobacteria có hại cho thực vật rất nhiều, chiếm hai phần ba trong một hệ vi sinh vật khỏe mạnh đến 96% trong quần thể bất thường. Các chủng Fermicutes, có ích cho thực vật thì lại bị giảm số lượng. Có lẽ do mật độ microbiome cao hơn một cách bất thường trong cây bị bệnh, chúng tranh giành nguồn dinh dưỡng và không may những vi sinh vật có hại lại lại chiến thắng. Trong khi đó hiện tượng này không xảy ra ở những cây khỏe mạnh.

Hỗ trợ sức đề kháng thực vật

Nghiên cứu này là một ví dụ khác về sự đa dạng vì sự đa dạng này quan trọng để hỗ trợ các hệ thống đề kháng của thực vật. Mỗi loại vi khuẩn có thể mang lại lợi ích khác nhau cho thực vật, chẳng hạn như tăng khả năng miễn dịch, khả năng chịu stress hoặc hấp thụ chất dinh dưỡng.

Các nhà khoa học như giáo sư He muốn có thể điều khiển hệ thống gen thực vật để cấu hình lại hệ vi sinh vật thực vật. Thực vật có thể trở nên hiệu quả hơn trong việc lựa chọn các đối tác vi sinh vật có lợi và cải thiện sức khỏe, khả năng phục hồi và năng suất.

Theo giáo sư He, nghiên cứu về hệ vi sinh vật là lĩnh vực nghiên cứu còn khá mới mẻ và có xu hướng tập trung vào vi khuẩn đường ruột của con người. Nhưng nhiều vi khuẩn khác sống trên lá cây, là lá phổi của hành tinh chúng ta. Và thật tuyệt vời khi hiểu được vi khuẩn ảnh hưởng đến đến bề mặt lá (phyllosphere) như thế nào trong hệ sinh thái tự nhiên và cánh đồng hoa màu.

Mai Thanh Trúc theo Phys.org