Phát hiện của các nhà nghiên cứu tại Trung tâm John Innes mở ra triển vọng cho các phương pháp canh tác thân thiện với môi trường, giúp nông dân giảm thiểu lượng phân bón sử dụng. Hiện nay, sản xuất hầu hết các loại cây trồng chính phụ thuộc vào phân bón nitrat và phosphate. Tuy nhiên, việc lạm dụng phân bón không chỉ gây hại cho môi trường mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe của hệ sinh thái nông nghiệp.
Nếu chúng ta biết tận dụng mối quan hệ hợp tác giữa rễ cây và vi khuẩn trong đất để cải thiện khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng, thì chúng ta có thể giảm đáng kể việc sử dụng phân bón vô cơ.
Nhóm nghiên cứu do Tiến sĩ Myriam Charpentier dẫn dắt đã phát hiện một đột biến gen ở cây họ đậu Medicago truncatula, giúp lập trình lại khả năng truyền tín hiệu của cây. Phát hiện này tăng cường mối quan hệ hợp tác với vi khuẩn cố định đạm và nấm rễ cộng sinh (AMF), cung cấp phốt pho cho rễ cây.
Mối quan hệ hợp tác này, được gọi là cộng sinh nội cộng sinh, cho phép cây họ đậu thu thập chất dinh dưỡng từ đất thông qua vi khuẩn, đổi lại, chúng cung cấp đường cho các sinh vật này.
Một trong những thách thức lớn trong việc áp dụng rộng rãi các mối quan hệ cộng sinh nội cộng sinh trong nông nghiệp là chúng thường chỉ xuất hiện ở đất nghèo dinh dưỡng, không phù hợp với các điều kiện canh tác thâm canh hiện nay.
Tuy nhiên, nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature đã chỉ ra rằng các thí nghiệm cho thấy đột biến gen trong con đường truyền tín hiệu canxi có khả năng tăng cường mối quan hệ nội cộng sinh trong các điều kiện canh tác.
Điều thú vị là nhóm nghiên cứu đã áp dụng các phương pháp di truyền để chứng minh rằng đột biến gen tương tự ở lúa mì cũng có khả năng tăng cường sự xâm chiếm của vi khuẩn cố định đạm và nấm rễ cộng sinh (AMF) trong điều kiện đồng ruộng.
Những phát hiện này đánh dấu một bước đột phá quan trọng trong nỗ lực lâu dài nhằm sử dụng các quan hệ đối tác cộng sinh nội cộng sinh như một giải pháp tự nhiên thay thế cho phân bón vô cơ, đặc biệt đối với các loại cây trồng chính như ngũ cốc và cây họ đậu.
"Những phát hiện của chúng tôi có tiềm năng to lớn để thúc đẩy nền nông nghiệp bền vững. Thật bất ngờ và thú vị khi đột biến mà chúng tôi xác định được lại tăng cường nội cộng sinh trong điều kiện canh tác. Điều này mở ra khả năng sản xuất cây trồng bền vững hơn khi kết hợp cộng sinh nội cộng sinh với việc giảm thiểu sử dụng phân bón vô cơ," Tiến sĩ Charpentier chia sẻ.
"Các khám phá này không chỉ đóng góp vào nghiên cứu về tín hiệu canxi mà còn đưa ra giải pháp chuyển đổi nhằm hướng tới sản xuất bền vững hơn cho các loại cây trồng quan trọng về mặt kinh tế."
Nghiên cứu trước đó của nhóm Charpentier đã chỉ ra rằng tín hiệu canxi trong nhân tế bào rễ là yếu tố thiết yếu để thiết lập mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm hữu ích và AMF. Nghiên cứu hiện tại đã giải mã cơ chế truyền tín hiệu quan trọng này, cho thấy cách dao động canxi điều chỉnh sản xuất các hợp chất flavonoid, giúp tăng cường cộng sinh rễ.
"Khám phá của chúng tôi nhấn mạnh tầm quan trọng của khoa học cơ bản trong việc giải quyết các thách thức của xã hội," Tiến sĩ Charpentier kết luận.
Cộng sinh rễ mang lại nhiều lợi ích cho cây trồng, bao gồm tăng cường khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu. Trong bối cảnh hiện nay, nhu cầu phát triển các loại cây trồng có năng suất cao, kháng bệnh và giảm sử dụng phân bón để bảo vệ môi trường và giảm chi phí cho nông dân ngày càng trở nên cấp thiết.
Việc kết hợp khả năng kháng bệnh và khả năng phục hồi khí hậu với quá trình đồng hóa chất dinh dưỡng hiệu quả thông qua mối liên kết tốt hơn với các vi sinh vật cộng sinh là một yếu tố then chốt trong tham vọng này. Điều này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững trong nông nghiệp.
