Cơ chế truyền tín hiệu hóa học phổ biến được sử dụng để liên kết tổng hợp giữa vi khuẩn với cây trồng biến đổi gen. Nguồn: Trends in Microbiology/Chakraborty và cộng sự.

Nitơ là chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, nhưng việc lạm dụng phân đạm tổng hợp trong nông nghiệp là giải pháp không bền vững.

Trong một bài báo đăng trên tạp chí Trends in Microbiology vào ngày 26 tháng 9, một nhóm các nhà vi khuẩn học và nhà khoa học thực vật thảo luận về khả năng sử dụng kỹ thuật di truyền để tạo điều kiện thuận lợi cho mối quan hệ tương hỗ giữa thực vật và vi khuẩn cố định đạm được gọi là “diazotrophs”. Những kỹ thuật liên kết này sẽ giúp cây trồng thu được nitơ từ không khí bằng cách mô phỏng theo sự tương hỗ giữa cây họ đậu và vi khuẩn cố định đạm.

Nhóm nghiên cứu do tác giả chính Jean-Michel Ané của Đại học Wisconsin-Madison dẫn đầu viết: “Kỹ thuật liên kết vi khuẩn cố định đạm nhằm cung cấp nitơ cho cây trồng là một hướng đi đầy hứa hẹn đối với các vấn đề mang tính bền vững liên quan đến phân bón nitơ tổng hợp và là giải pháp có thể được thực hiện tương đối nhanh chóng với chi phí cao”.

Vi khuẩn cố định đạm là loài vi khuẩn đất và là vi khuẩn cổ có khả năng “cố định” nitơ trong khí quyển thành amoni một cách tự nhiên, đồng thời cũng là một nguồn mà thực vật có thể sử dụng. Một số vi khuẩn này đã hình thành mối quan hệ tương hỗ với thực vật, nhờ đó thực vật cung cấp cho chúng nguồn cacbon và một môi trường an toàn, nồng độ oxy thấp và đổi lại, chúng cung cấp nitơ cho thực vật. Ví dụ, cây họ đậu chứa vi khuẩn cố định đạm trong các nốt nhỏ trên rễ của chúng.

Tuy nhiên, những sự tương hỗ này chỉ xảy ra ở một số ít thực vật và một số ít loài cây trồng. Nếu có nhiều cây trồng hơn có thể hình thành mối liên kết với các chất cố định đạm thì nhu cầu về phân bón nitơ tổng hợp sẽ giảm đi, nhưng những mối quan hệ kiểu này phải mất nhiều thời gian để phát triển một cách tự nhiên.

Làm thế nào để tăng cường khả năng cố định đạm ở cây trồng không phải cây họ đậu là một thách thức đang diễn ra trong nông nghiệp. Một số phương pháp khác nhau đã được đề xuất bao gồm biến đổi gen thực vật để chúng tự sản xuất nitrogenase, loại enzyme mà các chất cố định đạm sử dụng để chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành amoni hoặc biến đổi các loại cây trồng không phải cây họ đậu để tạo ra các nốt sần ở rễ.

Một phương pháp thay thế – chủ đề của bài đánh giá này – sẽ liên quan đến kỹ thuật thiết kế cả thực vật và vi khuẩn cố định đạm để tạo điều kiện thuận lợi cho các mối liên hệ tương hỗ. Về cơ bản, thực vật sẽ được biến đổi gen để trở thành vật chủ tốt hơn và vi khuẩn sẽ được thiết kế để giải phóng nitơ cố định dễ dàng hơn khi chúng gặp phải các phân tử do cây chủ biến đổi gen tiết ra.

Các tác giả cho biết: “Vì các vi khuẩn cố định đạm sống tự do hoặc liên kết đặc hiệu với nitơ cố định của chúng với cây trồng một cách linh hoạt, nên chúng sẽ tự điều chỉnh để giải phóng nitơ cố định mà cây trồng có thể tiếp cận được”.

Cách tiếp cận này sẽ dựa vào tín hiệu hai chiều giữa thực vật và vi khuẩn là điều đã xảy ra một cách tự nhiên. Vi khuẩn có các cơ quan thụ cảm hóa học cho phép chúng cảm nhận được các chất chuyển hóa mà thực vật tiết ra trong đất, trong khi thực vật có thể cảm nhận được các mẫu phân tử liên quan đến vi khuẩn và các hormone thực vật do vi khuẩn tiết ra. Những con đường truyền tín hiệu này có thể được điều chỉnh thông qua kỹ thuật di truyền để tạo ra sự tiếp cận đặc hiệu hơn giữa các cặp thực vật biến đổi gen và vi khuẩn.

Các tác giả cũng thảo luận về cách làm cho các mối quan hệ đã được điều chỉnh này hiệu quả hơn. Vì quá trình cố định đạm là một quá trình tiêu tốn nhiều năng lượng nên sẽ rất hữu ích nếu vi khuẩn có thể điều chỉnh quá trình cố định đạm và chỉ tạo ra amoni khi cần thiết.

Các tác giả viết: “Dựa vào tín hiệu từ các phân tử nhỏ phụ thuộc vào thực vật từ đó đảm bảo rằng nitơ chỉ được cố định khi chủng thiết kế được biến đổi gen ở gần các loài cây trồng mong muốn. Trong các hệ thống này, tế bào chỉ thực hiện quá trình cố định tốn nhiều năng lượng khi có lợi nhất cho cây trồng”.

Nhiều vi khuẩn cố định đạm mang lại lợi ích khác cho cây trồng ngoài khả năng cố định đạm, bao gồm thúc đẩy quá trình tăng trưởng và chống chịu các ức chế. Các tác giả cho rằng các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc “tổng hợp” nhiều lợi ích này. Tuy nhiên, vì các quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng nên các nhà nghiên cứu đề xuất phát triển cộng đồng vi sinh vật được tạo thành từ nhiều loài mà mỗi loài mang lại những lợi ích khác nhau để “phân bố sinh khối cho nhiều chủng loại khác nhau”.

Các tác giả thừa nhận rằng biến đổi gen là một vấn đề phức tạp và việc thực hiện phương pháp này trên quy mô lớn các sinh vật biến đổi gen trong nông nghiệp sẽ cần sự chấp thuận của cộng đồng. Các tác giả đề nghị: “Cần có sự trao đổi minh bạch giữa các nhà khoa học, nhà tạo giống, người trồng và người tiêu dùng về những rủi ro và lợi ích từ những công nghệ cải tiến này”.

Ngoài ra, còn có những vấn đề về ngăn chặn sinh học. Bởi vì các vi khuẩn dễ dàng trao đổi vật liệu di truyền trong và giữa các loài nên cần có các biện pháp để ngăn chặn sự phát tán vật liệu chuyển gen vào các vi khuẩn bản địa trong hệ sinh thái xung quanh. Một số phương pháp ngăn chặn sinh học như vậy đã được phát triển trong phòng thí nghiệm, chẳng hạn như xử lý vi khuẩn sao cho chúng phụ thuộc vào các phân tử không có sẵn trong tự nhiên, nghĩa là chúng sẽ bị giới hạn trong các cánh đồng có cây ký chủ được biến đổi gen hoặc liên kết với vi khuẩn bằng “cơ chế chuyển đổi tự kết thúc”.

Các tác giả cho rằng các biện pháp kiểm soát này có thể hiệu quả hơn nếu chúng được phân lớp, vì mỗi biện pháp đều có những hạn chế và họ nhấn mạnh sự cần thiết phải kiểm tra sự tương hỗ giữa thực vật và vi khuẩn được thiết kế này trong các điều kiện đồng ruộng thay đổi mà cây trồng được trồng.

Các tác giả cho biết: “Việc sử dụng thực tế các tương tác giữa thực vật và vi khuẩn và quá trình chuyển đổi từ phòng thí nghiệm sang đất trồng vẫn còn nhiều thách thức do các yếu tố môi trường sinh học và phi sinh học cũng như tác động của chúng đối với thực vật, vi khuẩn và sự tương tác của chúng có tính biến đổi cao. Các thử nghiệm trong môi trường được kiểm soát chặt chẽ như điều kiện nhà kính thường chống chịu kém hơn trong điều kiện đồng ruộng và chúng tôi có đề xuất rằng các chủng biến đổi gen nên được thử nghiệm rộng hơn trên các đồng ruộng dùng các thử nghiệm có tính lặp lại cao”. 

Bùi Thị Huyền Nhung theo Phys.org