Các nhà nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu giống cây trồng Max Planck phát hiện ra rằng, khi đối mặt với việc hạn chế sắt, cây trồng hướng đến hệ vi sinh vật để huy động chất dinh dưỡng thiết yếu hỗ trợ sự tăng trưởng.

Trong tự nhiên, thực vật khỏe mạnh chứa nhiều vi khuẩn và các vi sinh vật khác, chủ yếu đến từ đất nơi mà chúng sinh trưởng. Cộng đồng vi khuẩn này, được gọi là hệ vi sinh vật thực vật, cần thiết để thực vật phát triển một cách tối ưu và có tác dụng bảo vệ thực vật khỏi những ảnh hưởng gây hại đến từ vi sinh vật và côn trùng gây bệnh. Hệ vi sinh vật rễ cây cũng được cho là có thể cải thiện hiệu suất của cây khi mức dinh dưỡng thấp. Sắt là một trong những khoáng vi lượng quan trọng nhất đối với sự phát triển và năng suất của cây trồng. Mặc dù có nhiều trong hầu hết các loại đất, nhưng thiếu sắt thường hạn chế sự phát triển của thực vật, vì sắt thường ở những dạng mà cây trồng không thể hấp thụ được. Vì vậy, để đảm bảo năng suất, cây trồng đòi hỏi phải sử dụng phân hóa học. Điều này có thể gây hại đến môi trường sinh thái nếu bón quá nhiều. Giờ đây, các nhà nghiên cứu của MPIPZ đứng đầu là Paul Schulze-Lefert đã khám phá ra thực vật có khả năng tự khắc phục được vấn đề này là: chúng giải phóng một số chất từ ​​rễ để hướng các vi khuẩn có mối liên quan đến thực vật, huy động sắt trong đất giúp cây hấp thụ một cách dễ dàng.

Trong đất hạn chế sắt, thực vật kích hoạt phản ứng thiếu sắt bao gồm sản xuất và tiết coumarin. Những hợp chất này làm thay đổi thành phần hệ vi sinh vật rễ và tạo ra hoạt động vi sinh vật giúp chuyển hóa dinh dưỡng sắt, cải thiện sự phát triển của cây.

Khi đối mặt với sắt ở dạng không hữu dụng, cây trồng sẽ phản ứng bù đắp để tránh thiếu sắt. Phản ứng đói này liên quan đến việc tái lập trình biểu hiện gen, sản xuất và tiết ra coumarin. Các hợp chất thơm này được tiết ra từ rễ cây và bản thân chúng có thể cải thiện khả năng hòa tan sắt. Điều thú vị được nhận ra coumarin là một yếu tố chọn lọc, định hình thành phần cộng đồng vi khuẩn liên quan đến thực vật. Giờ đây, một số coumarin cũng hoạt động như một tín hiệu “SOS” thúc đẩy hệ vi sinh vật rễ hỗ trợ dinh dưỡng sắt cho cây trồng.

Trước tiên, để đánh giá sự đóng góp của hệ vi sinh vật rễ đối với năng suất của cây trồng bị hạn chế sắt, Christopher Harbort và các đồng nghiệp đã sử dụng một hệ thống kiểm soát cho phép họ điều tiết tính khả dụng của sắt cũng như sự hiện diện của vi khuẩn gắn liền với rễ. Sử dụng mô hình phòng thí nghiệm thale cress, họ so sánh những cây hoàn toàn thiếu vi khuẩn và những cây có bổ sung cộng đồng tổng hợp (SynCom) gồm các loài vi khuẩn đại diện cho cộng đồng vi khuẩn rễ có trong tự nhiên. Các tác giả nhận thấy rằng việc bổ sung SynCom này đã cải thiện mạnh mẽ năng suất cây trồng ở những đất thiếu sắt. Việc trồng cây kết hợp với các dòng vi khuẩn đơn lẻ giúp họ xác định được rằng nhiều dòng vi khuẩn trong vi sinh vật hệ rễ có khả năng giải phóng sắt cho cây trồng sử dụng. Khi các nhà nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm tương tự ở những thực vật bị tổn hại trong sản xuất hoặc bài tiết coumarin, cộng đồng vi khuẩn không mang lại lợi ích gì. Từ đó cho thấy rằng, các coumarin do thực vật tiết ra chịu trách nhiệm kích thích sự hỗ trợ dinh dưỡng từ các vi khuẩn trong điều kiện hạn chế sắt.

Các tác giả cho rằng, hệ vi sinh vật rễ là một phần không thể thiếu trong cách thực vật thích nghi với sự phát triển trong đất hạn chế sắt. Hơn nữa, bằng cách xác định tín hiệu từ thực vật đến vi khuẩn để được hỗ trợ, nghiên cứu này đưa chúng ta tiến một bước gần hơn đến việc khai thác các vi khuẩn trong đất tự nhiên thay thế cho phân bón tổng hợp. Cải thiện hàm lượng dinh dưỡng sắt, giúp thực vật không chỉ cải thiện năng suất mà còn làm tăng hàm lượng dinh dưỡng trong cây lương thực, một chiến lược tiềm năng để giải quyết tình trạng thiếu sắt ở người.

Nguyễn Bình Duy theo đại học Max Planck.