Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng bộ máy di truyền chịu trách nhiệm cố định đạm sinh học có thể được chuyển vào các chủng vi khuẩn mới, mang lại sự hiểu biết rõ ràng hơn về cách thức đặc điểm nông nghiệp quan trọng này lan truyền trong tự nhiên và có khả năng mở ra những con đường mới để giảm sự phụ thuộc của nông nghiệp vào phân bón nitơ tổng hợp.
Những phát hiện được công bố trênSinh học hiện tạivào ngày 28 tháng 5, tập trung vào vi khuẩn đất rhizobia- hoang dã hình thành mối quan hệ cộng sinh với các loại cây họ đậu như đậu Hà Lan và đậu. Những vi khuẩn này chuyển đổi nitơ trong khí quyển thành các dạng thực vật có thể sử dụng, cho phép cây họ đậu phát triển mà không cần hoặc rất ít phân đạm bên ngoài. Các nhà khoa học cho biết nghiên cứu này đã làm sáng tỏ cách thức các gen điều khiển sự cộng sinh này có thể được thu thập bởi các dòng vi khuẩn mà trước đây thiếu khả năng này, một bước quan trọng hướng tới việc mở rộng khả năng cố định đạm sinh học sang các loại cây trồng khác.
Hiểu cơ sở di truyền của sự cộng sinh
Nghiên cứu do Angeliqua P. Montoya và các đồng nghiệp dẫn đầu đã kiểm tra bộ gen tiến hóa của các mối quan hệ nội cộng sinh mới xuất hiện ở rhizobia hoang dã. Bằng cách theo dõi cách các gen cố định đạm di chuyển giữa các quần thể vi khuẩn, các nhà nghiên cứu có thể xác định các con đường di truyền cho phép vi khuẩn thiết lập mối quan hệ hợp tác thành công với thực vật.
Sự cố định đạm ở cây họ đậu phụ thuộc vào các nốt sần chuyên biệt ở rễ, nơi rhizobia nhận carbohydrate từ cây chủ để đổi lấy nitơ cố định sinh học. Mặc dù mối quan hệ này đã phát triển một cách tự nhiên qua hàng triệu năm nhưng các nhà khoa học từ lâu đã tìm cách tái tạo các hệ thống tương tự ở các loại cây trồng không phải cây họ đậu.
Nghiên cứu này cung cấp bằng chứng mới cho thấy các đặc điểm di truyền cần thiết cho sự cộng sinh có thể lan rộng khắp các dòng vi khuẩn, cho thấy rằng sự phát triển của các mối quan hệ-cố định đạm có thể linh hoạt hơn những gì đã hiểu trước đây. Những phát hiện như vậy có thể giúp các nhà nghiên cứu xác định các điều kiện tiên quyết về di truyền cần thiết để thiết lập mối quan hệ tương tự ở vi khuẩn liên quan đến cây ngũ cốc.
Tại sao sự đột phá lại quan trọng đối với thị trường phân bón
Tầm quan trọng của việc cố định đạm sinh học còn vượt xa cả sinh học thực vật. Hầu hết các loại cây trồng chủ lực trên thế giới-bao gồm lúa mì, ngô và gạo-không thể cố định đạm trong khí quyển và do đó phụ thuộc nhiều vào phân đạm được sản xuất thông qua quy trình Haber-của Bosch.
Sản xuất amoniac, nền tảng của phân đạm, là một trong những quy trình công nghiệp-tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trên toàn cầu và vẫn chịu nhiều rủi ro về chi phí khí đốt tự nhiên, sự gián đoạn địa chính trị và các hạn chế thương mại. Những biến động gần đây trên thị trường phân bón, bao gồm những lo ngại về nguồn cung liên quan đến các tuyến vận chuyển ở Trung Đông và các biện pháp kiểm soát xuất khẩu từ các nước sản xuất lớn, đã làm mới mối quan tâm đến các công nghệ có thể làm giảm sự phụ thuộc vào nitơ tổng hợp.
Nếu cây ngũ cốc có thể nhận được một phần đáng kể nhu cầu nitơ thông qua quá trình cố định sinh học, thì tác động{0}} lâu dài đối với nhu cầu phân bón có thể là rất lớn. Mặc dù quá trình chuyển đổi như vậy vẫn còn xa vời nhưng nó đã thu hút được sự đầu tư đáng kể từ các công ty công nghệ sinh học nông nghiệp, các nhà phát triển đầu vào sinh học và các nhà cung cấp-dinh dưỡng cây trồng lớn đang tìm kiếm các giải pháp quản lý dinh dưỡng-bền vững hơn.
Dựa trên những tiến bộ trước đó
Nghiên cứu mới này bổ sung thêm vào nhóm nghiên cứu ngày càng tăng nhằm tìm hiểu các cơ chế phân tử chi phối sự cộng sinh của vi khuẩn thực vật. Các cuộc điều tra trước đây đã xác định được các protein thực vật cụ thể, các con đường truyền tín hiệu và phản ứng qua trung gian canxi-để xác định xem thực vật chấp nhận hay từ chối vi khuẩn cố định đạm-.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh bằng chứng-về-các sửa đổi khái niệm ở thực vật mô hình và một số loài ngũ cốc, bao gồm cả lúa mạch, cho thấy rằng các thành phần của mạng tín hiệu cộng sinh có thể bị thao túng. Tuy nhiên, việc đạt được khả năng cố định đạm đáng tin cậy và có ý nghĩa kinh tế ở các cây ngũ cốc chính vẫn là một trong những mục tiêu đầy tham vọng nhất trong khoa học nông nghiệp.
Các phát hiện của Current Biology cung cấp một quan điểm bổ sung bằng cách tập trung vào khía cạnh vi sinh vật của mối quan hệ, cho thấy khả năng cố định nitơ-xuất hiện và lan truyền như thế nào giữa các quần thể vi khuẩn trong môi trường tự nhiên.
Triển khai thương mại vẫn còn nhiều năm nữa
Bất chấp tiến bộ khoa học, các nhà nghiên cứu vẫn cảnh báo rằng các ứng dụng nông nghiệp thực tế vẫn là mục tiêu-lâu dài. Việc chứng minh khả năng chuyển gen và cộng sinh trong các hệ thống vi khuẩn hoang dã là một cột mốc khoa học quan trọng, nhưng vẫn còn những thách thức đáng kể trước khi những khám phá đó có thể được chuyển thành sản phẩm thương mại.
Lĩnh vực phân bón sinh học đã thu hút được nguồn vốn mạo hiểm và đầu tư doanh nghiệp đáng kể trong thập kỷ qua, tuy nhiên ngành này cũng gặp phải những trở ngại khi các công ty gặp khó khăn trong việc tái tạo một cách nhất quán các kết quả thí nghiệm trong điều kiện thực tế. Đạt được sự xâm chiếm ổn định, tỷ lệ cố định đạm đủ và lợi nhuận kinh tế cho người trồng vẫn là một thách thức phức tạp.
Kết quả là, những phát hiện mới nhất khó có thể có bất kỳ tác động tức thời nào đến nhu cầu phân bón. Thay vào đó, chúng đóng góp vào nền tảng khoa học đang phát triển mà cuối cùng có thể hỗ trợ sự phát triển của các công nghệ vi sinh thế hệ tiếp theo được thiết kế để bổ sung hoặc thay thế một phần các ứng dụng nitơ tổng hợp.
Các bước tiếp theo dành cho nhà nghiên cứu
Giai đoạn nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc liệu các cơ chế di truyền được xác định ở rhizobia hoang dã có thể được đưa vào các loài vi khuẩn có liên quan tự nhiên với rễ cây ngũ cốc hay không. Sau đó, các nhà khoa học phải xác định xem liệu các cộng đồng vi sinh vật được thiết kế này có thể cung cấp đủ nitơ cố định sinh học để mang lại lợi ích nông học có thể đo lường được trong điều kiện canh tác thương mại hay không.
Thành công sẽ thể hiện sự thay đổi lớn về dinh dưỡng cây trồng, có khả năng cho phép nông dân giảm sử dụng phân bón trong khi vẫn duy trì năng suất. Tuy nhiên, hiện tại, công việc này vẫn là một bước đi ban đầu nhưng đáng chú ý hướng tới một trong những mục tiêu-được mong đợi nhất của nông nghiệp: cho phép các loại cây ngũ cốc chính tiếp cận được nitơ thông qua quan hệ đối tác sinh học thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào phân bón sản xuất.
