Các đầm lầy nước mặn của Georgia - sống ở nơi đất liền giáp biển - trải dài dọc theo toàn bộ bờ biển dài 100 dặm. Những hệ sinh thái phong phú này phần lớn chỉ bị chi phối bởi một loài thực vật là cỏ.

Được biết đến với cái tên cỏ dây, loại cây này là một hệ sinh thái, cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã, làm sạch nước một cách tự nhiên khi nó di chuyển từ đất liền ra biển và giữ chặt bờ biển để nó không bị sụp đổ. Thậm chí, cỏ dây còn bảo vệ con người khỏi thủy triều dâng.

Sự khỏe mạnh của loài cây này có tầm quan trọng đối với hệ sinh thái. Ví dụ, một yếu tố gây stress thực vật được biết đến phổ biến ở đất đầm lầy là hợp chất lưu huỳnh hòa tan, sunfua, được vi khuẩn sản xuất và tiêu thụ. Nhưng trong khi bờ biển Georgia tự hào hệ sinh thái phong phú, thì việc hiểu rõ các tương tác của vi khuẩn với thực vật trong các hệ sinh thái này vẫn là điều khó nắm bắt. Nhờ những tiến bộ gần đây trong công nghệ gen, các nhà sinh học Georgia Tech đã bắt đầu tiết lộ những quá trình sinh thái chưa từng thấy trước đây.

Công trình của nhóm đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Joel Kostka, Giáo sư Tom và Marie Patton và Phó chủ tịch Nghiên cứu tại Trường Khoa học Sinh học, và Jose Luis Rolando, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, đã bắt đầu điều tra mối quan hệ giữa cỏ dây Spartina alterniflora và các cộng đồng vi sinh vật sống ở rễ của chúng để xác định vi khuẩn và vai trò của chúng (Hình 1).

   
Chất sinh học trong sinh khối trên mặt đất của S. alterniflora thường được quan sát thấy ở những cây cao mọc ở những con đê cạnh những con lạch thủy triều lớn và kiểu hình ngắn của S. alterniflora chiếm ưu thế bên trong đầm lầy. Trầm tích từ vùng S. alterniflora cao có đặc điểm là môi trường bị oxy hóa nhiều hơn với mức độ khử sắt cao hơn và quá trình nitrat hóa-khử nitrat kết hợp cũng như tốc độ thủy phân và khoáng hóa chất hữu cơ cao hơn. Ngược lại, trầm tích từ kiểu hình ngắn có xu hướng giảm về mặt hóa học nhiều hơn, với tốc độ khử sunfat cao hơn, độ mặn của nước lỗ rỗng tăng cao và ít xáo trộn sinh học và dòng thủy triều. Rễ từ kiểu hình S. alterniflora ngắn đã được đề xuất là nơi chứa vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh (SOB) có lợi cho cây bằng cách giải độc môi trường rễ.

Kostka cho biết: “Giống như con người có vi khuẩn đường ruột giúp chúng ta khỏe mạnh, thực vật phụ thuộc vào vi khuẩn trong mô của chúng để có sức khỏe, tăng khả năng miễn dịch, trao đổi chất và hấp thu chất dinh dưỡng”. “Mặc dù, chúng ta đã biết về các phản ứng thúc đẩy chu trình dinh dưỡng và carbon trong đầm, nhưng không có nhiều dữ liệu về vai trò của vi khuẩn trong hoạt động của hệ sinh thái.”

Ở ngoài đầm lầy

Cách chủ yếu để thực vật lấy chất dinh dưỡng là thông qua quá trình cố định đạm, một quá trình trong đó vi khuẩn chuyển đổi nitơ thành dạng mà thực vật có thể sử dụng. Ở đầm lầy, vai trò này chủ yếu từ các vi khuẩn dị dưỡng hoặc vi khuẩn phát triển và lấy năng lượng từ carbon hữu cơ. Vi khuẩn tiêu thụ độc tố thực vật sulfua là sinh vật hóa tự dưỡng, sử dụng năng lượng từ quá trình oxy hóa sulfua để cung cấp năng lượng cho quá trình hấp thụ carbon dioxide nhằm tạo ra carbon hữu cơ của riêng chúng để phát triển.

"Qua nghiên cứu trước đây, chúng tôi biết rằng Spartina alterniflora có vi khuẩn lưu huỳnh trong rễ và có hai loại: vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh, sử dụng sunfua làm nguồn năng lượng và chất khử sunfat, hô hấp sunfat và tạo ra sunfua, một loại độc tố cho cây trồng”. Rolando cho biết: “Chúng tôi muốn biết thêm về vai trò của các vi khuẩn lưu huỳnh khác nhau này trong chu trình nitơ.”

Kostka và Rolando đến đảo Sapelo, Georgia, nơi họ thường xuyên tiến hành nghiên cứu thực địa ở vùng đầm lầy muối. Các nhà nghiên cứu và sinh viên đã thu thập cỏ dây cùng với các mẫu trầm tích bùn bám vào rễ của chúng. Sau khi trở lại phòng thí nghiệm, nhóm tập trung làm sạch cỏ và tách rễ cây ra.

Tiếp theo, họ sử dụng một kỹ thuật đặc biệt liên quan đến các nguyên tố hóa học xuất hiện trong tự nhiên dưới dạng chất đánh dấu để theo dõi các quá trình của vi sinh vật. Họ cũng phân tích DNA và RNA của các vi khuẩn sống trong các ngăn khác nhau của thực vật.

Công nghệ giải trình tự metagenomics được sử dụng để phân tích toàn bộ DNA từ cộng đồng vi sinh vật và tái tạo lại bộ gen từ các sinh vật mới được phát hiện. Tương tự như vậy, việc giải trình tự RNA không có mục tiêu của cộng đồng vi sinh vật cho phép họ đánh giá loài vi sinh vật nào và các chức năng cụ thể gì đang hoạt động trong mối liên hệ chặt chẽ với rễ cây (Hình 2).
 

 
Với sự kết hợp các kỹ thuật này, họ phát hiện ra rằng, vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh hóa tự dưỡng cũng tham gia vào quá trình cố định đạm. Những vi khuẩn này không chỉ giúp thực vật bằng cách giải độc vùng rễ mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nitơ cho cây. Vai trò kép này của vi khuẩn trong chu trình lưu huỳnh và cố định đạm làm nổi bật tầm quan trọng của chúng trong hệ sinh thái ven biển và sự đóng góp của chúng đối với sự sinh trưởng và phát triển của thực vật.

Rolando cho biết: “Cây trồng ở những khu vực có mức độ tích lũy sunfua cao có xu hướng nhỏ hơn và kém khỏe mạnh hơn”. "Tuy nhiên, chúng tôi phát hiện ra rằng các cộng đồng vi sinh vật trong rễ Spartina giúp giải độc sunfua, tăng cường sức khỏe và khả năng phục hồi của thực vật."

Ý nghĩa cục bộ đến toàn cầu

Cordgrasses không chỉ là nhân tố chính ở đầm lầy Georgia; chúng cũng chiếm đa phần tại các đầm lầy trên toàn vùng Đông Nam, bao gồm cả Carolinas và Bờ Vịnh. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các loại vi khuẩn tương tự có liên quan đến rễ cỏ dây, rừng ngập mặn và cỏ biển trong các hệ sinh thái ven biển.

Rolando cho biết: “Phần lớn bờ biển ở vùng khí hậu nhiệt đới và ôn đới được bao phủ bởi các vùng đất ngập nước ven biển”. "Những khu vực này có khả năng có sự cộng sinh của vi sinh vật, điều đó có nghĩa là những tương tác này tác động đến hoạt động của hệ sinh thái trên quy mô toàn cầu."

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu có kế hoạch khám phá thêm chi tiết về cách thực vật đầm lầy và vi khuẩn trao đổi nitơ và carbon bằng cách sử dụng kỹ thuật kính hiển vi tiên tiến kết hợp với phép đo phổ khối có độ phân giải cực cao để xác nhận phát hiện ở mức độ tế bào đơn.

Kostka cho biết: “Khoa học tuân theo công nghệ và chúng tôi rất vui mừng được sử dụng các phương pháp gen mới nhất để xem loại vi khuẩn nào ở đó và hoạt động”. “Vẫn còn nhiều điều cần tìm hiểu về mối quan hệ phức tạp giữa thực vật và vi khuẩn trong hệ sinh thái ven biển, và chúng tôi đang bắt đầu khám phá mức độ phức tạp của vi sinh vật giúp đầm lầy khỏe mạnh.”

Nguồn bài viết: Tài liệu được cung cấp bởi Viện Công nghệ Georgia . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về phong cách và độ dài.
 

Đinh Anh Hòa - Hcmbiotech, theo Sciencedaily.