Các nhà nghiên cứu tại Đại học Toronto đã giải mã được phương thức giao tiếp giữa cây trồng và nấm trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Molecular Cell.

Khi sử dụng nấm men bánh mì, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng hormone thực vật strigolactone (SL) kích hoạt các gen và protein của nấm liên quan đến quá trình chuyển hóa phosphate là một hệ thống đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của cây trồng.

Khi hiểu biết sâu sắc về cách nấm phản ứng với các tín hiệu hóa học ở cấp độ phân tử có thể mở ra những cách thức mới cho việc canh tác các loại cây trồng trở nên cứng cáp hơn và khả năng đối kháng với nấm bệnh.

Shelley Lumba tác giả chính và là phó giáo sư tại Khoa Tế bào và Hệ thống Sinh học tại Đại học Toronto cho biết: “Khi chúng ta bắt đầu hiểu về cách thực vật và nấm liên hệ với nhau như thế nào, chúng ta sẽ hiểu rõ hơn về sự phức tạp của hệ sinh thái đất, cách thức canh tác các loại cây trồng có sức chống chịu tốt hơn và từ đó giúp cải thiện cách tiếp cận của chúng ta đối với đa dạng sinh học”.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Toronto đã giải mã được phương thức giao tiếp giữa thực vật và nấm Nguồn ảnh: © iStock ǀ amenic181.

Trong đất, rễ cây tương tác với nấm bằng một “ngôn ngữ” phân tử im lặng để định hướng cấu trúc của chúng. Khi thực vật giải phóng SL, chúng báo hiệu cho nấm bám vào rễ của cây, cung cấp phosphate – nhiên liệu mà thực vật cần để phát triển và là thành phần chính của hầu hết các loại phân bón – để trao đổi lấy carbon.

Đối với nghiên cứu này, Lumba và các nhà nghiên cứu đồng nghiệp của cô đã điều tra ra lý do và cách nấm phản ứng với SL. Tám mươi phần trăm thực vật dựa vào mối quan hệ cộng sinh này và việc tăng cường tương tác này với nấm có lợi có thể tạo ra các loại cây trồng cứng cáp hơn, giảm lượng phân bón sử dụng và giảm thiểu lượng phosphate chảy vào nguồn nước.

Trong những trường hợp khác, nấm bệnh có thể tận dụng các tín hiệu hóa học để lây nhiễm cho cây trồng, đôi khi phá hủy toàn bộ vụ mùa thu hoạch. Hiểu được ngôn ngữ hóa học này cũng có thể giúp ngăn chặn các tác nhân gây bệnh như vậy.

Đối với nghiên cứu này, Lumba và các đồng nghiệp nghiên cứu của cô đã tìm hiểu lý do và cách nấm phản ứng với hormone thực vật strigolactone. Hình minh họa: Bradley và cộng sự, 2024, Molecular Cell 84, 1 – 17.

Do hệ sinh thái đất phức tạp, cho đến tận bây giờ, các nhà khoa học cũng không thể xác định được các hợp chất đặc trưng thúc đẩy nấm có lợi hoặc tác dụng của các tín hiệu này. Lumba và nhóm của cô đã giải mã được nấm men bánh mỳ, là một loại nấm ít gây chú ý hơn, và đã được con người thuần hóa trong hàng thiên niên kỷ nay. Cách thức thực hiện đơn giản ngay cả đối với các chủng hiện đại cũng rất phù hợp để tiến hành trong các phòng thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu đã xử lý nấm men bằng SL và quan sát những gen nào được tắt và bật khi phản hồi. Họ phát hiện ra rằng tín hiệu hóa học này làm tăng biểu hiện của các gen được gắn nhãn “PHO” có liên quan đến quá trình chuyển hóa phosphate. Những phân tích sâu hơn cho thấy SL hoạt động thông qua Pho84, một protein trên bề mặt của nấm men có chức năng theo dõi mức phosphate, đồng thời kích hoạt một loạt các protein khác trong con đường phosphate.

Các nhà nghiên cứu xác định rằng cây trồng giải phóng SL khi trong trạng thái thiếu phosphate và báo hiệu cho nấm men thay đổi quá trình hấp thụ phosphate.

Họ phát hiện ra rằng phản ứng phosphate đối với tín hiệu SL không chỉ đúng với nấm thuần hóa như nấm men bánh mỳ mà còn đúng với nấm hoang dại, đặc biệt là nấm gây hại Fusarium graminearum và nấm cộng sinh có lợi Serendipita indica.

Lumba cho biết: “Biểu hiện gen như một kết quả thu được từ quá trình xử lý hóa học chính là chìa khóa cho phương pháp này – nó xác định tác động của phản ứng SL lên sự phát triển của nấm”.

Các nhà khoa học có thể sử dụng phương pháp đơn giản này để xác định một cách có hệ thống các phân tử nhỏ có nguồn gốc thực vật giao tiếp với nấm. Việc tăng cường tương tác với nấm có lợi có thể dẫn đến những tiến bộ trong nông nghiệp và giảm thiểu ô nhiễm cũng như tình trạng mất an ninh lương thực. 

Lumba còn cho biết thêm rằng: “Tiềm năng ảnh hưởng của nghiên cứu này có thể cải thiện chất lượng cuộc sống của rất nhiều người. Đó là nguồn đất khỏe mạnh cho một hành tinh khỏe mạnh”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Đại học Toronto.