Cây Arabidopsis. Ảnh: © Vasiliy Koval / Adobe Stock

Một nhóm các nhà khoa học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng dẫn đầu đã phát hiện ra gen cụ thể kiểm soát mối quan hệ cộng sinh quan trọng giữa cây trồng và nấm trong đất và tạo điều kiện thuận lợi cho sự cộng sinh trong cây.
 

Khám phá này có thể dẫn đến sự phát triển các cây năng lượng sinh học và cây lương thực chịu được các điều kiện phát triển khắc nghiệt, chống lại dịch bệnh hại, cần ít phân bón hóa học hơn và tạo ra các loại cây to hơn và phong phú.
 

Các nhà khoa học trong những năm gần đây đã tăng sự hiểu biết về mối quan hệ phức tạp giữa cây trồng với nấm cộng sinh (mycorrhizal fungi). Khi chúng cộng sinh với nhau, nấm tạo thành một lớp vỏ bao quanh rễ cây với những lợi ích to lớn. Cấu trúc nấm vươn ra xa khỏi cây ký chủ, làm tăng sự hấp thu dinh dưỡng và thậm chí trao đổi với các cây khác để "cảnh báo" về việc lây lan dịch bệnh. Đổi lại, cây cung cấp carbon cho nấm, điều này kích thích cây phát triển.
 

Những nấm cộng sinh được cho là đã giúp cây trồng tồn tại trong đất một thời gian rất lâu dài, giúp hình thành các hệ sinh thái thành công như những khu rừng và thảo nguyên rộng lớn. Ước tính có 80% các loài cây trồng có nấm cộng sinh liên kết với rễ của cây.
 

Jessy Labbe, nhà di truyền học phân tử tại ORNL nói “Nếu chúng ta có thể hiểu cơ  chế phân tử kiểm soát mối quan hệ giữa cây trồng và nấm có ích, thì chúng ta có thể bắt đầu sử dụng sự cộng sinh này để đạt được các điều kiện cụ thể trong các cây trồng như chống chịu với hạn hán, bệnh hại, cải thiện sự hấp thu đạm và dinh dưỡng và hơn thế nữa”. “Thực vậy, cây trồng thu được sẽ phát triển lớn hơn và cần ít nước và phân bón hơn”.
 

Phát hiện ra các yếu tố ban đầu về mặt di truyền trong cây tạo điều kiện cho sự cộng sinh xảy ra là một trong những chủ đề thách thức nhất trong lĩnh vực cây trồng. Phát hiện này, được mô tả trong Tạp chí Nature Plants, được công bố sau 10 năm nghiên cứu tại ORNL và các tổ chức nghiên cứu đối tác khám phá các cách thức để tạo ra các cây cung cấp nguồn nguyên liệu cho ngành năng lượng sinh học tốt. Công trình được hoàn thành nhờ những tiến bộ trong thập kỷ qua về giải trình tự gen, di truyền số lượng và mô hình tính toán hiệu suất cao, kết hợp với sinh học thực nghiệm.
 

Các nhà khoa học đang nghiên cứu sự cộng sinh được hình thành bởi một số loài Populus và nấm Laccaria bcolor (L. bcolor). Nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính, cùng với trình tự gen được tạo ra tại Viện genome chung DOE, cơ sở người dùng của Khoa học DOE tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, để thu hẹp tìm kiếm một protein thụ thể đặc biệt là PtLecRLK1.
 

Nhà sinh học phân tử thực vật Jay Chen tại ORNL nói “Chứng minh kết quả qua thực nghiệm là mấu chốt đối với khám phá này vì lập bản đồ di truyền cho thấy có những liên hệ thống kê giữa sự cộng sinh và gen này, nhưng các kết quả được chứng minh qua thực nghiệm đã cho câu trả lời chắc chắn rằng đó chính là gen đặc biệt kiểm soát sự cộng sinh”.
 

Các nhà nghiên cứu đã chọn Arabidopsis, theo truyền thống là loại cây không cộng sinh với nấm L. bcolor và thậm chí coi nó là mối đe dọa, đối với các thí nghiệm của họ. Họ đã tạo ra một phiên bản cây Arabidopsis biến đổi gen biểu hiện protein PtLecRLK1, sau đó tiêm nấm vào những cây này. Nấm L. bcolor bao bọc hoàn toàn các chóp rễ của cây, tạo thành vỏ bọc nấm cho thấy sự hình thành sự cộng sinh (symbiote).
 

“Chúng tôi đã chỉ ra rằng chúng tôi có thể chuyển đổi một vật không phải là ký chủ thành ký chủ của sự cộng sinh này”, nhà di truyền học số lượng Wellington Manyero tại ORNL nói. “Nếu chúng ta có thể làm cho Arabidopsis cộng sinh với loại nấm này, thì chúng tôi tin rằng chúng ta có thể tạo ra các loại cây nhiên liệu sinh học khác như cỏ switchgrass, hoặc cây lương thực như bắp cũng cộng sinh và mang lại đúng cùng lợi ích như vậy. Nó mở ra tất cả các cơ hội trong các hệ thống thực vật đa dạng. Thật ngạc nhiên, một gen là tất cả những gì bạn cần”.
 

Giám đốc CBI Jerry Tuskan nói “Đây là một thành tựu lớn có thể dẫn đến sự phát triển của cây trồng năng lượng sinh học với khả năng sống sót và phát triển tốt trên các vùng đất phi nông nghiệp, vùng đất cằn cõi”. “Chúng tôi có thể nhắm đến trồng các loại cây năng lượng sinh học chịu đựng được điều kiện khó khăn cần ít nước trên diện tích từ 20 đến 40 triệu acres (1 acre=4046m²), làm tăng triển vọng cho cuộc sống tốt đẹp ở khu vực nông thôn, nền kinh tế dựa vào sinh học cung cấp các nguồn nguyên liệu thay thế bền vững cho ngành dầu khí và công nghiệp”.

Nguyễn tiến Hải theo Sciencedaily.