Vai trò mới của nitrate reductase trong việc điều hòa quá trình hình thành nốt sần đáp ứng với nitơ

Nguồn: Miha Creative/Shutterstock.

Ở các loài cây họ Đậu, quá trình hình thành nốt sần ở rễ bị ức chế khi nguồn dinh dưỡng nitơ (chẳng hạn như nitrat) dồi dào. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Tsukuba đã phát hiện ra rằng, bên cạnh vai trò đã biết trong quá trình đồng hóa nitrat, enzyme nitrat reductase còn điều hòa phản ứng của cây đối với nitrat từ môi trường bên ngoài bằng cách kiểm soát nồng độ nitrat nội bào, qua đó góp phần điều tiết sự hình thành nốt sần ở rễ.

Một số loài thực vật, bao gồm cả cây họ đậu, hình thành các cơ quan chuyên biệt gọi là nốt sần trên rễ; tại đây, chúng thiết lập mối quan hệ cộng sinh với các vi khuẩn cố định đạm. Sự cộng sinh tạo nốt sần này cho phép cây sử dụng nitơ trong khí quyển để sinh trưởng, qua đó giảm bớt sự phụ thuộc vào phân bón chứa nitơ. Việc ứng dụng đặc tính này mang lại triển vọng lớn cho phát triển các hệ thống nông nghiệp bền vững. Ngược lại, cây họ đậu sẽ ức chế quá trình hình thành nốt sần khi đất có đủ hàm lượng nitrat và các nguồn dinh dưỡng nitơ khác. Quá trình cố định đạm sinh học tiêu tốn lượng năng lượng đáng kể. Do đó, phản ứng này được cho là giúp cây cân bằng giữa lợi ích và chi phí của mối quan hệ cộng sinh tùy theo mức độ sẵn có của nitơ. Tuy nhiên, các cơ chế phân tử chi phối việc cây theo dõi trạng thái nitơ nội tại và điều hòa quá trình hình thành nốt sần vẫn chưa được làm sáng tỏ hoàn toàn.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã khảo sát chức năng của enzyme nitrate reductase (NIA) ở loài cây họ đậu Lotus japonicus. Họ phát hiện ra rằng NIA không chỉ đóng vai trò là enzyme then chốt trong quá trình đồng hóa nitơ - xúc tác cho bước đầu tiên của quá trình khử nitrate - mà còn là yếu tố điều hòa quan trọng đối với sự hình thành nốt sần chịu ảnh hưởng của nitrate, thông qua việc duy trì nồng độ nitrate nội bào ở mức thích hợp. Hơn nữa, kết quả nghiên cứu cho thấy việc mất chức năng NIA dẫn đến sự tích tụ nitrate quá mức trong cây, gây ức chế mạnh mẽ quá trình hình thành nốt sần ở rễ, ngay cả trong điều kiện hàm lượng nitrate thấp vốn thường không gây ảnh hưởng đến quá trình này. Những phát hiện này chỉ ra rằng trạng thái nitrate nội bào của cây, chứ không chỉ riêng nguồn cung nitrate từ môi trường bên ngoài, đóng vai trò quyết định đối với các phản ứng hình thành nốt sần.

Nghiên cứu này phát hiện một vai trò chưa từng được biết đến của NIA trong việc kiểm soát quá trình hình thành nốt sần ở rễ thông qua điều hòa hàm lượng nitrat nội bào, bên cạnh vai trò đã được xác định rõ của nó trong quá trình đồng hóa nitơ. Những kết quả này mang lại cái nhìn mới về cơ chế điều hòa sự cộng sinh tạo nốt sần và có thể góp phần phát triển các công nghệ nông nghiệp bền vững, nhằm tối ưu hóa quá trình hình thành nốt sần để giảm sự phụ thuộc vào phân đạm.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Đại học Tsukuba.