Cảm biến sinh học thế hệ tiếp theo tiết lộ vai trò quan trọng của gibberellin trong quá trình cố định đạm ở cây họ đậu, điều này tạo tiền đề giúp cho các loại cây họ đậu và ngũ cốc tự thụ phấn đạt năng suất cao hơn.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cambridge chứng minh rằng hormone thực vật gibberellin (GA) rất cần thiết cho sự hình thành và trưởng thành của các nốt sần cố định đạm ở cây họ đậu và cũng có thể làm tăng kích thước nốt sần.

Họ xác định thời gian và vị trí cụ thể mà GA chi phối sự khởi đầu, phát triển và chức năng của các nốt sần. Những phát hiện này giúp hòa giải các báo cáo mâu thuẫn cho rằng GA vừa bị ức chế vừa là cần thiết cho sự hình thành nốt sần bằng cách xác định chính xác các vùng mà GA là cần thiết.

Các loại cây ngũ cốc như lúa mì, ngô và lúa là những loại cây trồng cần nhiều nitơ và phụ thuộc rất nhiều vào phân bón tổng hợp để đáp ứng nhu cầu nitơ của chúng. Tuy nhiên, phân bón nitơ tổng hợp đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ để sản xuất, tốn kém cho nông dân và gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường như ô nhiễm nước.

Không giống như ngũ cốc, các loại đậu, như đậu Hà Lan, đậu và đậu lăng, có thể tự lấy nitơ thông qua mối quan hệ cộng sinh tự nhiên với vi khuẩn cố định nitơ, hình thành các cơ quan có nguồn gốc từ rễ bên gọi là nốt sần. Khả năng cố định nitơ này cũng dẫn đến hàm lượng protein cao hơn trong các loại cây họ đậu, khiến chúng trở nên bổ dưỡng hơn cho con người.

Tuy nhiên, cây họ đậu sẽ ngừng sản xuất nốt sần ở rễ khi đất có nồng độ nitơ tương đối cao và do đó có khả năng không đạt được năng suất cao hơn.

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đang nghiên cứu cách tăng năng suất cây họ đậu và chuyển khả năng cố định đạm từ cây họ đậu sang ngũ cốc, nhưng điều này đòi hỏi phải làm sáng tỏ và hiểu được các con đường di truyền và sinh hóa phức tạp liên quan đến sự hình thành nốt sần và cố định đạm.

Trong nghiên cứu được công bố trên The Plant Cell, nhóm nghiên cứu của tiến sỹ Alexander Jones tại Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge (SLCU) và nhóm của giáo sư Giles Oldroyd tại Trung tâm Khoa học Cây trồng đã có bước tiến lớn hướng tới mục tiêu này bằng cách tiết lộ động lực GA chi phối sự phát triển, hình thái và chức năng của các nốt sần rễ cố định đạm. Tiến sỹ Jones cho biết: “Có một số báo cáo gây nhầm lẫn và mâu thuẫn về chức năng của GA trong cộng sinh nốt sần. Các thí nghiệm cho thấy rằng việc bổ sung GA làm giảm sự hình thành nốt sần và loại bỏ GA làm tăng sự hình thành nốt sần ở các cây họ đậu như Medicago truncatula, điều này cho thấy GA đối kháng với sự hình thành nốt sần. Nhưng cũng có một đột biến cây họ đậu ở đậu Hà Lan tạo ra ít GA hơn và có ít nốt sần hơn, điều này cho thấy rằng GA bằng cách nào đó là cần thiết cho sự hình thành nốt sần”.

“Những kết quả mâu thuẫn này cho thấy có lẽ có điều gì đó đang diễn ra với mô hình GA không gian-thời gian. Ví dụ, có thể có những nơi cụ thể mà GA cần có và một số nơi mà nó cần vắng mặt. Hoặc nồng độ chính xác của GA là quan trọng”.

Sử dụng cảm biến sinh học thế hệ tiếp theo có độ nhạy cao nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2) được phát triển tại Jones Group, tiến sỹ Colleen Drapek đã có thể hình dung chính xác vị trí, thời điểm GA hiện diện và nồng độ tương đối của nó. Bà phát hiện ra GA tích tụ trong nốt sần nguyên thủy (vùng trong vỏ rễ nơi các tế bào bắt đầu phân chia trong giai đoạn đầu hình thành nốt sần) ở Medicago bị nhiễm vi khuẩn rhizobium. Tiến sỹ Drapek cho biết: “Ngay từ khi bắt đầu hình thành nốt sần, bạn bắt đầu thấy sự tích tụ GA trong nốt sần nguyên thủy, nhưng rất ít GA ở bất kỳ nơi nào khác trong rễ. Khi nốt sần rễ phát triển hơn nữa, bạn sẽ thấy GA tích tụ ở nồng độ khá cao và duy trì ở mức cao trong nốt sần trưởng thành”.

Tiến sỹ Drapek đã sử dụng GA và các đột biến cộng sinh Medicago để tiếp tục kiểm tra những gì GA đang làm bằng cách nhắm mục tiêu vào sự biểu hiện quá mức của các enzyme phân hủy GA hoặc tổng hợp GA. Kết quả đối với trường hợp trước là không có nốt sần nào được hình thành và trường hợp sau là các nốt sần lớn hơn. “Điều này cho thấy GA rất quan trọng đối với các nốt sần, nhưng chức năng của nó chỉ dành riêng cho các vùng mà nốt sần đang được bắt đầu chứ không phải các khu vực xung quanh. Chúng tôi biết rằng GA thấp là tốt cho quá trình nhiễm rhizobium ban đầu của rễ, nhưng sau đó bạn cần GA có mặt để quá trình hình thành nốt sần diễn ra và để các nốt sần trưởng thành”.

Trong nghiên cứu trước đó của Nhóm Oldroyd tại SLCU do tiến sỹ Katharina Schiessl thực hiện, người ta đã chỉ ra rằng có sự chồng chéo trong chương trình phát triển mà thực vật sử dụng để hình thành rễ bên và nốt sần cố định đạm. Giáo sư Oldroyd cho biết: “Những phát hiện mới nhất này cho thấy sự tích tụ GA trong rễ là duy nhất đối với sự phát triển nốt sần và do đó có thể là một sự chuyển đổi quan trọng đối với sự phát triển đặc hiệu của nốt sần. Đây là những hiểu biết thiết yếu đối với chúng tôi khi cố gắng chuyển quá trình cố định đạm sang các loại cây trồng khác như sắn và ngũ cốc”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Cambridge.