Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Các hoạt động canh tác công nghiệp thường làm cạn kiệt các chất dinh dưỡng và khoáng chất quan trọng trong đất, khiến nông dân phải dựa vào phân bón nhân tạo để hỗ trợ cây trồng phát triển. Trên thực tế, việc sử dụng phân bón đã tăng gấp bốn lần kể từ những năm 1960, nhưng điều này đi kèm với những hậu quả nghiêm trọng. Sản xuất phân bón tiêu thụ một lượng lớn năng lượng và việc sử dụng phân bón gây ô nhiễm nước, không khí và đất.

Các nhà sinh học thực vật tại Viện Salk đang đề xuất một giải pháp mới để giúp loại bỏ thói quen sử dụng phân bón không bền vững này.

Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã xác định được một phân tử quan trọng do rễ cây sản xuất, một peptide nhỏ có tên là CLE16, khuyến khích cây trồng và nấm đất có lợi tương tác với nhau. Họ cho biết việc thúc đẩy mối quan hệ cộng sinh này, trong đó nấm cung cấp chất dinh dưỡng khoáng cho cây trồng thông qua việc bổ sung CLE16, có thể là một cách tự nhiên và bền vững hơn để thúc đẩy cây trồng phát triển mà không cần sử dụng phân bón nhân tạo có hại.

Những phát hiện này đã được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia vào ngày 18 tháng 4 năm 2025.

"Nhiều loài thực vật tiến hóa để tham gia vào mối quan hệ cộng sinh với các loài khác, nhưng các kỹ thuật nhân giống công nghiệp đã làm giảm nhiều đặc điểm cộng sinh trong các loại cây trồng hiện đại của chúng ta và củng cố sự phụ thuộc của chúng vào phân bón hóa học", tác giả chính Lena Mueller, phó giáo sư tại Salk cho biết. "Bằng cách khôi phục lại sự cộng sinh tự nhiên giữa rễ cây và nấm, chúng ta có thể giúp cây trồng có được các chất dinh dưỡng cần thiết mà không cần sử dụng phân bón có hại".

Trong mối quan hệ cùng có lợi này, nấm rễ cộng sinh arbuscular có trong đất cung cấp nước và phốt pho cho cây, mà cây sẽ chấp nhận để đổi lấy các phân tử cacbon. Những trao đổi này diễn ra thông qua các tua nấm cộng sinh chuyên biệt, được gọi là arbuscules, chôn mình vào các tế bào rễ cây. Khoảng 80% thực vật có thể trao đổi tài nguyên với nấm theo cách này. Tuy nhiên, các đặc điểm hỗ trợ sự cộng sinh này đã bị suy yếu qua nhiều thế kỷ lai tạo thực vật nông nghiệp ưu tiên tạo ra các loại cây trồng có năng suất cao nhất.

Các nhà khoa học tại Salk cho biết các giống cây trồng mới có thể được lai tạo để tăng cường những đặc điểm này một lần nữa -- một cơ hội mà họ dự định khám phá thông qua Sáng kiến ​​khai thác thực vật của Viện.

Để bắt đầu khám phá và củng cố những đặc điểm này, phòng thí nghiệm của Mueller bắt đầu bằng cách trồng một loài nấm rễ cộng sinh arbuscular cùng với Medicago truncatula, một loại cây họ đậu nhỏ ở Địa Trung Hải. Khi cả hai đã hình thành mối quan hệ cộng sinh, các nhà nghiên cứu đã tìm hiểu xem những gen nào đang hỗ trợ tương tác này.

Các cây họ đậu đã bắt đầu biểu hiện một lượng lớn phân tử tín hiệu nhỏ gọi là CLE16 -- một thành viên của họ peptide CLE. Các phân tử tín hiệu nhỏ này có trong nhiều loài thực vật nhưng vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Cho đến khi có CLE16, các peptide CLE thực vật duy nhất mà các nhà khoa học nghiên cứu đều chống lại sự cộng sinh.

"Chúng tôi đã tìm thấy peptide CLE thực vật đầu tiên thực sự ủng hộ và thúc đẩy sự cộng sinh", tác giả đầu tiên Sagar Bashyal, một sinh viên tốt nghiệp trong phòng thí nghiệm của Mueller cho biết. "Thật sự rất thú vị từ góc độ khoa học khi có được cái nhìn sâu sắc mới đáng ngạc nhiên như vậy về các peptide này. Đây là một bước tiến lớn hướng tới việc đạt được mối quan hệ bền vững giữa thực vật và nấm trong lĩnh vực này".

Để xác nhận rằng CLE16 đang thúc đẩy mối quan hệ cộng sinh, Bashyal đã thêm CLE16 dư thừa vào đất để xem điều gì sẽ xảy ra. Liều lượng CLE16 bổ sung khiến các arbuscules nấm trở nên khỏe mạnh hơn và sống lâu hơn, cuối cùng làm tăng sự phong phú của các cấu trúc trao đổi chất dinh dưỡng này trong rễ. Kết quả là một tín hiệu ủng hộ cộng sinh tự khuếch đại: Nấm có lợi càng mở rộng bên trong rễ, thì cây càng sản xuất nhiều CLE16, sau đó thúc đẩy quá trình xâm chiếm nấm nhiều hơn nữa.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một loạt các thí nghiệm để hiểu cách CLE16 thúc đẩy sự tương tác này giữa thực vật và nấm có lợi. Phát hiện của họ cho thấy CLE16 thúc đẩy sự cộng sinh thông qua protein tín hiệu CORYNE (CRN), một thành phần của phức hợp thụ thể CLAVATA được biết đến với vai trò trong phản ứng của thực vật với môi trường.

Khi cây bị căng thẳng, nó sẽ chuyển sang trạng thái miễn dịch cao hơn để bảo vệ bản thân khỏi bất kỳ mối đe dọa nào khác. Tuy nhiên, điều này cũng vô tình khiến cây ít tiếp nhận nấm xung quanh hơn. Mueller dự đoán rằng khi CLE16 liên kết với phức hợp thụ thể CRN-CLAVATA, điều này sẽ làm giảm mức độ căng thẳng và phản ứng miễn dịch của cây, cho phép nấm có lợi xâm nhập vào rễ cây và bắt đầu trao đổi chất dinh dưỡng.

Điều quan trọng là nhóm của Mueller đã chỉ ra rằng nhiều loại nấm rễ cộng sinh arbuscular cũng sản xuất ra các peptide giống CLE16 của riêng chúng, cũng thúc đẩy sự cộng sinh khi được bổ sung vào đất. Các nhà nghiên cứu cho rằng các peptide nấm này bắt chước các peptide CLE16 của chính cây, do đó cho phép nấm có lợi khuếch đại sự cộng sinh bằng cách liên kết với cùng một phức hợp thụ thể CRN-CLAVATA của cây.

Với sự xác nhận rằng cả việc bổ sung peptide giống CLE16 cho thực vật và CLE16 cho nấm đều cải thiện sự cộng sinh, việc bổ sung tương tự trên đất nông nghiệp có thể là giải pháp thúc đẩy sự phát triển của mạng lưới nấm có lợi cho cây trồng qua từng năm.

Công trình nghiên cứu trong tương lai sẽ xác nhận liệu peptide CLE16 hay peptide bắt chước nấm giống CLE16 có thúc đẩy sự cộng sinh ở các loại cây trồng quan trọng như đậu nành, ngô hoặc lúa mì hay không. Nếu có, việc khai thác các phân tử này để thay thế phân bón hóa học gây ô nhiễm, không bền vững bằng nấm có lợi sẽ bắt đầu.

Mueller cho biết: "Ngoài việc hoạt động như một loại phân bón sinh học, nấm rễ cộng sinh còn bổ sung một lớp bảo vệ tự nhiên cho cây trồng, có thể giúp chúng ta giảm việc sử dụng thuốc trừ sâu". "Nếu chúng ta có thể tận dụng nấm có lợi và các vi khuẩn khác để giúp cây trồng thiết lập các mối quan hệ cộng sinh này, chúng ta có thể làm cho cây trồng, cánh đồng và đất đai của mình bền vững hơn và khỏe mạnh hơn trong thời gian dài".

Công trình này được hỗ trợ bởi các quỹ khởi nghiệp từ Đại học Miami và Quỹ Hess, cũng như Viện Thực phẩm và Nông nghiệp Quốc gia thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (2022-67013-42820).

Nguồn: Sciencedaily.com