Một số ứng dụng của microbiome trong thực vật

Khi đề cập đến các microbiome (hệ vi sinh vật), hầu hết mọi người đều nghĩ rằng chúng là một đội quân to lớn bao gồm các vi khuẩn và nấm phát triển mạnh mẽ bên trong cơ thể con người, giúp chúng ta tiêu hoá thức ăn và chống lại các bệnh truyền nhiễm. Tuy nhiên, Thực vật cũng là nơi trú ngụ của hàng triệu vi sinh vật, mà những vi sinh vật này có ảnh hưởng quan trọng lên sự sinh trưởng và phát triển của cây. Ví dụ như: Lợi khuẩn tập trung chủ yếu ở trong và xung quanh rễ và lá của cây trồng, hỗ trợ quá trình trao đổi khoáng chất và dinh dưỡng từ đất, đồng thời tăng cường khả năng chống lại các tác nhân gây bệnh cũng như giúp cho cây chống chịu mặn, chịu nóng và hạn hán [1].

Hệ vi sinh thực vật [2]

Hầu hết tất cả các mô của thực vật đều chứa một hệ vi sinh vật. Chúng tập trung vào vùng rễ, bề mặt lá (phyllosphere) và nội mô (endosphere). Vùng rễ là vùng giàu dinh dưỡng, hệ vi sinh vật đa dạng do ảnh hưởng bởi sự lắng đọng của chất nhầy thực vật và dịch bài tiết gốc. Ngược lại, vùng bề mặt lại tương đối nghèo dinh dưỡng đồng thời chịu tác động bởi các yếu tố như: nhiệt độ, bức xạ và độ ẩm. Những vi sinh vật vùng rễ và vùng bề mặt lá được gọi là thực vật biểu sinh (epiphytes); trong khi vi sinh vật sống trong nội mô thực vật (endosphere), được coi là vi sinh vật nội sinh (endophytes).

Hệ vi sinh thực vật, chịu tác động mạnh mẽ bởi hệ gen thực vật và có thể được coi như một phần mở rộng để tạo thành một bộ gen thứ hai hay tập hợp lại để tạo thành một pan-genome.

Cải thiện tăng trưởng thực vật [3]

Ngày 25 tháng 9 năm 2015 trên tờ Trend of Microbiology có bài viết về hai nhà sinh học liên kết lại trình bày cách có thể thiết kế hệ sinh vật đất có khả năng cải thiện tốc độ tăng trưởng thực vật, ngay cả khi các cây thực vật giống hệt nhau về mặt di truyền và không thể phát triển. Những microbiomes được chọn lọc nhân tạo, có thể là ở động vật, sau đó có thể được truyền từ cây mẹ sang cây con.

Chỉ có một vài công trình nghiên cứu đã công bố tìm hiểu về tác động của việc chọn lọc nhân tạo các hệ vi sinh vật. Như nghiên cứu của Ulrich Mueller của Đại học Texas và Joel Sachs của Đại học California đã tạo ra thành công hệ vi sinh vật cây Arabidopsis (một họ hàng gần của bắp cải và súp lơ xanh).

Hỗ trợ chống lại mầm bệnh [2,4]

Vi khuẩn vùng rễ kích thích sinh trưởng ở thực vật (Plant Grow Promoting Rhizobacteria – PGPR) tác động đến cây trồng thông qua hàng loạt các cơ chế. PGPR giúp cây chống lại mầm bệnh bằng cách tiết chất kháng khuẩn (antimicrobials) hoặc can thiệp vào các tác nhân gây độc (virulence factor) thông qua cơ quan phản ứng lại kích thích cung cấp bởi hệ thống tiết loại 3 (type 3 secretion systems – T3SSs). Vi khuẩn cố định Nitơ (bao gồm cả Azotobacter spp. sống tự do), vi khuẩn cộng sinh (Rhizobium spp. tạo nốt sần ở rễ) cung cấp nguồn Nitơ cố định cho thực vật, và nhiều vi khuẩn có khả năng hòa tan lân, tăng cường lợi ích sinh học của chúng. Hệ vi sinh vật rễ cũng góp phần điều chỉnh hormone thực vật như: auxin, gibberellin và ethylene, thúc đẩy sự tăng trưởng và tăng khả năng chống chịu ở cây. Xạ khuẩn có khả năng sản xuất nhiều loại hợp chất kháng khuẩn, kháng nấm, kháng virus, tiêu diệt tuyến trùng và côn trùng gây bệnh.

Các vi khuẩn khác cũng có khả năng chống lại tác nhân gây bệnh như: Pseudomonas fluorescens tạo ra hợp chất kháng nấm diacetylphloroglucinol (DAPG), Pseudomonas spp. sản xuất DAPG có khả năng điều chỉnh phiên mã cho một vi khuẩn vùng rễ khác, Azospirillum brasilense làm tăng biểu hiện của gene liên quan đến sự hình thành tập đoàn vi khuẩn vùng rễ lúa mì (wheat root colonization) và thúc đẩy tăng trưởng thực vật. DAPG cũng gây ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật khác, bao gồm tuyến trùng. Sự hiện diện của DAPG sản xuất bởi Pseudomonas spp. trong đất kéo theo hiện tượng suy giảm take-all (the phenomenon of take-all decline). Nhiều vi khuẩn gây bệnh cho cây cư trú trên bề mặt lá, sinh khối càng lớn, khả năng gây bệnh càng cao. Hệ vi sinh vật bề mặt lá chống lại những mầm bệnh này bằng cách cạnh tranh dinh dưỡng và không gian sống, tạo ra kháng sinh và kích thích hệ miễn dịch của cây.

Kết luận

Thí nghiệm microbiome có thể khó khăn và ảnh hưởng đến khả năng tái sinh vì sự phức tạp của việc nhân giống toàn bộ cộng đồng vi khuẩn giữa các cây trồng hoặc giữa động vật. Cỏ và ong mật là vật thí điểm hấp dẫn vì hệ vi sinh của chúng có thể được thao tác để có thể di truyền. Bằng cách kiểm tra này trong các sinh vật di truyền ổn định, sẽ dễ dàng hơn để xem xét ảnh hưởng của việc thêm các cộng đồng vi khuẩn cụ thể.

Theo Mueller: “Chọn lọc nhân tạo hệ vi sinh có thể là một cách rẻ tiền giúp hạn chế các bệnh ở thực vật, động vật thay vì phải sử dụng đến thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh hoặc tạo ra các sinh vật biến đổi gen. Các phương pháp để tạo ra vật chủ trung gian trong chọn lọc nhân tạo microbiomes trên rễ là siêu đơn giản (tất cả chúng ta cần là một xi lanh và một bộ lọc), và bất cứ người nông dân ở bất kỳ vị trí nào đều có thể làm điều này để thiết kế một hệ vi sinh đặc trưng cho các vấn đề ở các vị trí cụ thể mà người nông dân cố gắng để trồng cây lương thực”[3].

Nhóm: Vi sinh lược dịch
Tài liệu tham khảo

[1]  https://www.sciencedaily.com/releases/2016/07/160712130223.htm

[2]  http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3706808/

[3]  http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/cp-rme091815.php

[4]  http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3126462/

Xin mời Quý Độc Giả bỏ ra 2-5 phút để làm một khảo sát mức độ hài lòng về bài viết của IBSG tại đây. IBSG chân thành cảm ơn Quý Độc Giả.