Theo dòng sự kiện

Phân biệt vi sinh vật có lợi với vi sinh vật có hại trong hệ vi sinh vật rễ

13/12/2021, 11:56

TNNN - Các nhà nghiên cứu thử nghiệm cách nấm xâm nhập vào rễ cây và điều gì ngăn cách giữa nấm có hại và có lợi.

Các cộng đồng vi sinh vật phức tạp sống trong thực vật và điều chỉnh sự phát triển của chúng. Rễ đặc biệt là nơi lưu trữ nhiều loại vi sinh vật - bao gồm cả vi khuẩn và nấm - ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe thực vật.

Các nhà nghiên cứu từ Viện Nghiên cứu Giống cây trồng Max Planck (MPIPZ) trước đây đã phát hiện ra rằng, những loại nấm này là nhân tố quan trọng của hệ vi sinh vật rễ có thể thúc đẩy sự phát triển của cây trồng, nhưng chỉ phát triển khi hoạt động kết hợp giữa hệ thống miễn dịch bẩm sinh của vật chủ và vi khuẩn sống ở rễ kiểm soát được chúng.

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Communications, Fantin Mesny và các đồng tác giả đã cung cấp những hiểu biết mới về cách những loài nấm này xâm chiếm rễ, tại sao nhiều loại nấm trong số chúng lại có khả năng gây hại và những gì khác biệt giữa nấm có lợi với nấm gây bệnh trong hệ vi sinh vật rễ (tức là thành phần nấm của hệ vi sinh vật rễ).

Để giải quyết những câu hỏi này, các nhà nghiên cứu tập trung vào cây mô hình Arabidopsis thaliana (Cải xoong), không thể dựa vào nấm rễ có ích để thu nhận chất dinh dưỡng vì nó không có giải thuật di truyền cần thiết để thiết lập sự cộng sinh có chức năng với những loại nấm này.

A. thaliana có khả năng dựa vào các loại nấm khác để bù đắp cho sự mất mát của các đối tác nấm rễ và để tồn tại trong tự nhiên.

Nhằm mô tả rõ hơn sự đa dạng rộng rãi của các loại nấm sống ở rễ này, các nhà nghiên cứu đã phân lập nhiều chủng nấm khác nhau từ rễ của các cây khỏe mạnh trên khắp châu Âu và chọn ra 41 loài đại diện cho hệ vi sinh vật rễ của A.thaliana.

Phối hợp với Viện Nghiên cứu Nông nghiệp, Sinh vật và Môi trường Quốc gia (INRAE, Nancy, Pháp) và Viện Bộ gen Chung (JGI, Hoa Kỳ), đã xác định trình tự bộ gen của những loại nấm này và so sánh với các loại nấm khác theo mô tả trước đây là sinh dưỡng, gây bệnh, nội sinh hoặc nấm rễ.

Thật kinh ngạc, các nhà khoa học phát hiện ra rằng, hầu hết các thành viên của hệ vi sinh vật rễ - được phân lập từ rễ của cây khỏe mạnh - có nguồn gốc từ tổ tiên có khả năng gây bệnh và đã giữ lại một loạt gen mà trước đây đã được chứng minh là bị mất trong bộ gen của nấm rễ có ích.

Các gen này mã hóa các protein nhỏ, được tiết ra giống tác nhân có thể điều chỉnh hệ thống miễn dịch của vật chủ và các enzym phân hủy một số lượng lớn các thành phần cấu tạo thành tế bào thực vật bao gồm pectin, cellulose và hemicellulose.

Những phát hiện này làm tăng khả năng rằng, nhiều loại nấm trong số này có thể đã giữ lại ít nhất một phần khả năng gây bệnh của tổ tiên chúng. Để kiểm tra giả thuyết này, các nhà nghiên cứu đã trồng các cây A. thaliana trong một hệ thống khép kín với điều kiện không có bất kỳ vi sinh vật nào hoặc được tái sinh với từng dòng nấm trong số 41 dòng nấm đã chọn.

Thử nghiệm này đã xác định được nhiều loại tác động của nấm đối với sự phát triển của thực vật, từ rất có hại đến có lợi. Đáng chú ý, các tác giả quan sát thấy rằng, các chủng gây hại cho cây trồng xâm nhập vào rễ mạnh hơn nhiều so với các chủng có lợi.

Hơn nữa, các loại nấm thường được phát hiện trong rễ của A. thaliana trong tự nhiên cũng là những loài có tác dụng gây hại đối với vật chủ của chúng trong các thử nghiệm liên kết đơn tính.

Nghiên cứu trước đây của nhóm Stéphane Hacquard đã gợi ý rằng, hệ vi sinh vật rễ của A. thaliana có thể trở nên bất lợi khi hệ thống miễn dịch của vật chủ và vi khuẩn sống ở rễ không kiểm soát chặt chẽ sự sinh sôi của những loại nấm này.

Những kết quả mới này cho thấy trong tự nhiên, nấm có khả năng xâm nhập vào rễ cao có khả năng gây bệnh cao, điều này giải thích rằng, cần phải kiểm soát sự phát triển của chúng. Bằng cách sử dụng kết hợp các phương pháp liên kết, bao gồm cả các mô hình học máy, các tác giả sau đó đã liên kết các tác động của nấm đối với sự phát triển của A. thaliana với các thành phần bộ gen và xác định thành công một họ gen ứng viên có thể giải thích các tác động bất lợi và khả năng xâm chiếm rễ.

Họ này (pectate lyase PL1_7) mã hóa các enzym phân giải pectin, một thành phần thiết yếu của thành tế bào thực vật, đặc biệt có nhiều trong rễ của cây hai lá mầm như A. thaliana.

Để xác thực sự liên quan của nó trong hoạt động bất lợi của nấm, các nhà nghiên cứu đã đưa một gen từ họ này vào bộ gen của một loài nấm tự nhiên không chứa nó. Dòng đột biến kết quả có thể xâm nhập vào rễ mạnh mẽ hơn dòng phân lập ban đầu và sự gia tăng tải lượng nấm trong rễ có liên quan đến giảm năng suất của cây.

Theo tác giả cuối cùng của nghiên cứu Stéphane Hacquard: “Những kết quả này chỉ ra rằng, các phần tử enzym phân giải thành tế bào thực vật trong hệ gen của nấm là yếu tố quyết định di truyền quan trọng thúc đẩy khả năng tiếp cận nội quyển của rễ và giải thích tại sao các loài thực vật bám rễ mạnh có thể trở nên có hại nếu chúng bị thoái hóa rễ quá mức”.

Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng, hệ vi sinh vật của thực vật khỏe mạnh trong tự nhiên bao gồm cả có hại và có lợi.

Phát hiện này đưa ra một cái nhìn mới về tác động của nấm đối với sức khỏe thực vật và có thể mở ra cánh cửa cho những cân nhắc và phát triển thú vị mới cho ngành nông nghiệp. Việc tận dụng những kết quả này có thể cung cấp cơ sở lý luận về cách thiết kế và tối ưu hóa các quần xã nấm tổng hợp nhằm tăng năng suất cây trồng.

Viện Nghiên cứu Giống cây trồng Max Planck

Tố Quyên dịch

Nguồn: Lab Manager, Hoa Kỳ

 

Bình luận