Phát hiện "công tắc" phân tử ở rễ giúp cây ngũ cốc tự tổng hợp đạm

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus đã tìm ra một cơ chế phân tử cho phép thực vật cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm thay vì chống lại chúng. Phát hiện này có thể mở đường cho các loại cây ngũ cốc như lúa, ngô có khả năng tự cố định đạm.

Giải mã bí mật cố định đạm tự nhiên

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Aarhus (Đan Mạch) vừa tìm ra một "công tắc phân tử" đặc biệt, cho phép thực vật thiết lập mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm thay vì kích hoạt hệ thống phòng thủ để chống lại chúng. Khám phá này được kỳ vọng sẽ tạo ra những giống cây ngũ cốc có khả năng tự cung cấp dinh dưỡng đạm (nitơ) mà không cần bón phân hóa học.

“Chúng ta đang tiến gần hơn một bước đến một nền sản xuất thực phẩm xanh hơn và thân thiện hơn với khí hậu”, Giáo sư Kasper Røjkjær Andersen và Simona Radutoiu (chuyên ngành Sinh học phân tử, Đại học Aarhus) khẳng định.

Thực vật cần nitơ để phát triển, nhưng hầu hết các loài cây lương thực chỉ có thể hấp thụ chất này thông qua phân bón tổng hợp. Ngược lại, một nhóm nhỏ thực vật (như đậu Hà Lan, cỏ ba lá và các loại đậu) lại có khả năng sinh trưởng tốt trên đất nghèo dinh dưỡng nhờ mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn đất. Những vi khuẩn này giúp chuyển hóa nitơ từ khí quyển thành dạng mà cây trồng có thể hấp thụ trực tiếp.

Từ lâu, các nhà khoa học trên thế giới đã nỗ lực tìm hiểu nền tảng di truyền và phân tử của khả năng này với hy vọng đưa đặc tính "siêu việt" đó vào các cây trồng chủ lực như lúa mì, lúa mạch và ngô. Nếu thành công, thế giới sẽ giảm được lượng phân bón tổng hợp khổng lồ – vốn đang tiêu tốn khoảng 2% năng lượng toàn cầu và phát thải một lượng CO2​ đáng kể trong quá trình sản xuất. Thực vật dựa vào các thụ thể trên bề mặt tế bào để nhận diện tín hiệu hóa học từ vi sinh vật. Một số vi khuẩn giải phóng hợp chất khiến cây kích hoạt hệ thống miễn dịch để phòng vệ. Trong khi đó, các vi khuẩn khác lại gửi tín hiệu "bạn bè" để đề nghị cung cấp chất dinh dưỡng.

Cách thực vật chọn "bạn" hay "thù"

Nghiên cứu của Đại học Aarhus chỉ ra rằng, khả năng phân biệt này bị chi phối mạnh mẽ bởi chỉ hai axit amin – những đơn vị xây dựng nhỏ bé trong một loại protein ở rễ cây. Protein này đóng vai trò như một bộ đọc tín hiệu, quyết định xem cây sẽ báo động (miễn dịch) hay chấp nhận vi khuẩn (cộng sinh).

Nhóm nghiên cứu đã xác định được một vùng nhỏ trong protein thụ thể và đặt tên là "Yếu tố quyết định cộng sinh 1" (Symbiosis Determinant 1). Vùng này hoạt động như một công tắc điều khiển. Bằng cách sửa đổi chỉ hai axit amin trong "công tắc" này, các nhà khoa học đã biến một thụ thể vốn có chức năng phòng thủ thành một thụ thể kích phát quá trình cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm.

“Chúng tôi đã chứng minh rằng chỉ cần hai thay đổi nhỏ có thể khiến thực vật thay đổi hoàn toàn hành vi tại một điểm cốt yếu: từ việc từ chối chuyển sang hợp tác với vi khuẩn”, Giáo sư Radutoiu giải thích.

Kỳ vọng lan tỏa sang các cây lương thực chủ lực

Trong các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã áp dụng thành công thay đổi này trên cây Lotus japonicus. Sau đó, họ thử nghiệm khái niệm này trên lúa mạch và thu được kết quả khả quan khi cơ chế này vẫn hoạt động hiệu quả.

Giáo sư Kasper Røjkjær Andersen chia sẻ: “Thật kinh ngạc khi chúng ta có thể lấy một thụ thể từ lúa mạch, thực hiện những điều chỉnh nhỏ và khiến cơ chế nhận diện cộng sinh hoạt động”. Tiềm năng của phát hiện này là rất lớn. Tuy nhiên, các chuyên gia cũng lưu ý rằng việc nhận diện vi khuẩn mới chỉ là bước đầu. Vẫn còn những "chìa khóa thiết yếu" khác cần được giải mã (như cơ chế hình thành nốt sần chứa vi khuẩn trên rễ ngũ cốc) trước khi công nghệ này có thể ứng dụng rộng rãi trên đồng ruộng. Dù vậy, đây vẫn là một bước tiến vĩ đại hướng tới nền nông nghiệp tự chủ đạm trong tương lai.