Gen ở vi khuẩn quyết định 40% tốc độ tăng trưởng ở thực vật
Mọi người có thể cho rằng vi khuẩn tấn công thực vật và gây ra những tổn thương nhất định. Nhưng một số vi khuẩn có lợi lại giúp cây phát triển. Nhằm tìm hiểu mối tương tác giữa vi khuẩn và thực vật, các nhà khoa học Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven thuộc Bộ Năng lượng Mỹ đã giải mã hệ gen một loài vi khuẩn mà trước đây được cho là làm tăng 40% tốc độ sinh trưởng ở thực vật. Các nhà khoa học đã xác định một số gen làm sáng tỏ mối tương tác cộng sinh này. Phát hiện trên đã hướng tới cách tiếp cận sử dụng vi khuẩn làm tác nhân thúc đẩy tốc độ sinh trưởng ở thực vật, một bước tiến nhằm tăng sản lượng nông nghiệp và nhiên liệu sinh học.
Để nuôi dưỡng hành tinh trong tương lai, chúng ta cần có các cách tiếp cận mới. Các loại nhiên liệu sinh học chiết xuất từ thực vật là nguồn năng lượng thay thế, nhưng nhiều loại cây trồng làm nguyên liệu sinh học lại cạnh tranh trực tiếp với các loại cây lương thực do các lý do về đất đai, nước và phân bón. Nghiên cứu này hướng tới các phương thức để thúc đẩy tốc độ tăng trưởng ở thực vật làm nguyên liệu nhiên liệu sinh học có hiệu quả kinh tế hơn nếu dùng cho sản xuất nông nghiệp.
Nhóm nghiên cứu của Brookhaven đang nghiên cứu một nhóm vi khuẩn được tách từ rễ của loài bạch dương. Bạch dương là loại cây chuyên dùng trong sản xuất nhiên liệu sinh học, một phần do loài cây này có khả năng sinh trưởng trên các loài đất khó trồng trọt. Các nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng, khuẩn Enterobacter (sp. 638) làm tăng tốc độ tăng trưởng ở cây bạch dương lên tới 40%.
Trong nghiên cứu này, nhờ vào việc giải mã trình tự gen theo phương pháp thủ công và đánh giá quá trình chuyển hoá, các nhà khoa học đã xác định được nhóm gen mở rộng giúp Enterobacter (sp. 638) tự củng cố tại vị trí ở rễ cây. Các nghiên cứu trên đã làm rõ mối tương tác đáng chú ý giữa vi khuẩn và vật chủ, giúp thực vật tồn tại và phát triển.
Trong số các gen của vi khuẩn được nhận dạng, có các gen mã hoá các prôtêin giúp cho vi khuẩn tồn tại và cạnh tranh với các loài khác về nguồn tài nguyên dưới đất, hấp thụ các chất dinh dưỡng mà rễ cây nhả ra, tìm đến, gắn kết và định cư trên các tế bào rễ cây bạch dương. Các vi khuẩn này có những gen mang lại lợi ích cho cây như bảo vệ cây trước các bệnh về nấm và vi khuẩn khác, giúp cây chống lại hạn hán và có thể tồn tại với các kim loại độc hại, sản sinh ra các tác nhân chống khuẩn và tăng các hócmon thực vật ("phytohormones"), cần cho sự tăng trưởng của thực vật, cũng như các vật liệu tiền thân khác mà bản thân cây bạch dương không thể tự sinh ra.
Đặc điểm quan trọng của mối tương tác này mà các nhà khoa học tìm ra qua phân tích quá trình chuyển hóa là sự sản sinh phytohormones phụ thuộc trực tiếp vào sự hiện diện của các loại đường do thực vật tự tổng hợp, như đường sucrose. Ngoài ra, chất chuyển hóa meso-2,3 butanediol là chất giúp thực vật chịu được hạn và dịch bệnh. Thực vật tạo ra đường giúp cho vi khuẩn phát triển và sinh ra phytohormones và các hợp chất khác giúp thực vật tăng trưởng nhanh hơn và khoẻ hơn.
Điều ngạc nhiên là, các gen cho phép vi khuẩn chuyển hóa sucrose và các gen sản sinh phytohormones đều nằm trên cùng một khu của bộ gen. Các nhà khoa học có kế hoạch tiếp tục triển khai công việc này bằng việc nghiên cứu các gen khác nhau trên biểu hiện như thế nào trong các thời kỳ vi khuẩn chiếm hữu ở cây bạch dương. Những nghiên cứu cụ thể này sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các mối tương tác phức tạp, bao gồm vai trò của các hợp chất phát tín hiệu và các chất chuyển hoá thứ cấp giữ vai trò trong quá trình định cư và thúc đẩy sự tăng trưởng ở thực vật. Những phát hiện cơ bản trên cuối cùng sẽ được lồng ghép vào các chiến lược sử dụng các mối tương tác tự nhiên giữa thực vật và vi khuẩn để cải thiện tốc độ tăng trưởng ở thực vật, sản lượng sinh khối, tăng năng suất nông nghiệp, sản xuất cây nguyên liệu sinh học trên các vùng đất khó trồng trọt hoặc tăng khả năng chống hạn trên các vùng đất khô cằn.
Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia