Nghiên Cứu Tối ưu Hóa Quá Trình Cố định đạm ở Cây Trồng

Nghiên cứu cho thấy rằng một chuỗi RNA nhỏ, được gọi là RNA miR2111, di chuyển từ các lá sang các rễ trong các cây họ đậu có thể tạo thành một sự cộng sinh cố định nitơ với vi khuẩn ở rễ. Khi đã ở rễ, miR2111 đảm bảo rằng cây dễ bị lây nhiễm cộng sinh. Rễ thể hiện một gien thường cản trở sự phản ứng của rễ đối với vi khuẩn cộng sinh, và miR2111 cản trở hoạt động của gien này. Phát hiện này cũng giải thích tại sao rễ không có các chồi không thể tham gia vào quá trình cộng sinh cố định đạm. Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí khoa học quốc tế.

Những phát hiện mới này trái ngược với hiểu biết trước đây của chúng ta về việc cây trồng kiểm soát cộng sinh như thế nào, vì kết quả cho thấy rằng cơ chế điều chỉnh bệnh đã có sẵn trước khi cây tiếp xúc với vi khuẩn. Giải pháp này đảm bảo phản ứng nhanh chóng của thực vật khi có vi khuẩn xuất hiện, nhấn mạnh rằng việc kiểm soát tại mọi thời điểm là rất quan trọng đối với cây chủ.

Đậu, đậu Hà Lan và đậu tương, giống như các thành viên khác của họ đậu, có rất nhiều protein. Đây là lý do tại sao nhu cầu loại cây này rất cao. Không giống như các loại cây khác như ngũ cốc, khoai tây hoặc cây táo, các loại cây họ đậu đã phát triển khả năng lưu trữ vi khuẩn cố định đạm trong các cơ quan đặc biệt trong rễ của chúng. Những vi khuẩn này, được gọi là rhizobia, cung cấp cho vật chủ thực vật với nitơ giảm ở dạng amoniac và ngược lại nhận được đầy đủ nguồn cung cấp chất khoáng và carbohydrate từ thực vật. Do đó, các cây họ đậu phát triển ổn định mà không cần phân bón nitơ hóa học - điều rất quan trọng đối với các cây trồng, đặc biệt là ở những vùng đất nghèo dinh dưỡng có hàm lượng nitơ thấp.

Khi các cây chủ cung cấp chất dinh dưỡng có giá trị cho các đối tác vi khuẩn của chúng, chúng phải kiểm soát chặt chẽ sự phát triển cộng sinh. Một số gien liên quan đến sự kiểm soát cây chủ về sự cộng sinh ở nốt sần, một quá trình gọi là tự cộng sinh. Mặc dù nốt sần xảy ra trong rễ, sự tự điều chỉnh liên quan đến cả chồi và rễ của cây chủ. Điều này là quan trọng, bởi vì theo dõi tình trạng dinh dưỡng của lá là một khía cạnh quan trọng trong việc xác định sự cộng sinh rễ có lợi cho một cây cụ thể như thế nào.

Vì vậy, chồi và rễ giao tiếp với các tín hiệu cụ thể để điều chỉnh cộng sinh theo nhu cầu của cây. Sau đó, các peptit nhỏ được sinh ra trong rễ và di chuyển qua các mạch xylem nước lên đến lá, nơi chúng tương tác với một thụ thể protein cụ thể gọi là HAR1 (Hypernodulation Aberrant Root Formation1). Mất thụ thể này làm cho cây trồng bị lây nhiễm nhiều và hình thành các nốt sần, dẫn đến cây trồng phát triển kém. Trong rễ, một gien được gọi là TML là cần thiết để giữ cho việc lây nhiễm và các nốt sần ở mức độ giúp cây khỏe mạnh. Nhưng cho đến bây giờ, vẫn chưa rõ quá trình tương tác giữa chồi và rễ diễn ra như thế nào, và những tín hiệu nào ở chồi liên quan đến việc điều chỉnh hoạt động TML cụ thể. Rất nhiều TML trong rễ sẽ ức chế các lây nhiễm mới. Gien TML hoạt động ngay cả trong các cây không bị nhiễm bệnh, và nếu không kiểm soát được, sẽ ngăn chặn sự hình thành cộng sinh.

Nhóm nghiên cứu xác định RNA 2111 (miR2111) chủ yếu được sản xuất trong lá, và di chuyển qua li-be đến rễ, nơi nó đặc biệt điều chỉnh sự phong phú của rễ TML RNA tác động đến tính dễ lây nhiễm của rễ cây. Trong vòng hai ngày sau khi lây nhiễm, dòng chảy miR2111 ngừng hoạt động, và việc điều chỉnh tự động diễn ra để cân bằng cộng sinh ở mức có lợi.

Ngoài việc định hình lại sự hiểu biết của chúng ta về quá trình tự động cộng sinh, các kết quả mới cho thấy rằng các RNA nhỏ có thể hoạt động như một sứ giả di động cụ thể cho phép sự liên kết giữa chồi và rễ trong thực vật. Về lâu dài, các kết quả này có thể được sử dụng để tinh chỉnh sự liên kết giữa các cây họ đậu và rễ để tối ưu hóa quá trình cố định đạm trong điều kiện môi trường bất lợi.