Nhật Bản: Công nghệ cộng sinh đậu tương hứa hẹn giảm phát thải toàn cầu
Nhóm nghiên cứu Nhật Bản phát triển hệ thống cộng sinh đậu tương - vi khuẩn nốt sần khử N₂O, giúp giảm phát thải sau thu hoạch xuống 26% so với đối chứng.
Bối cảnh và cơ chế nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu của Tổ chức nghiên cứu Nông nghiệp và Lương thực Quốc gia Nhật Bản (NARO), Đại học Tohoku, Đại học Nông nghiệp và Thú y Obihiro và Viện RIKEN đã công bố việc phát triển thành công hệ thống cộng sinh giữa cây đậu tương và vi khuẩn nốt sần có khả năng khử N₂O (nitơ oxit) - một loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh trên Tạp chí Nature Communications.
Khí N₂O có khả năng gây nóng lên toàn cầu gấp khoảng 265 lần so với CO₂, và việc giảm phát thải khí này là yêu cầu cấp thiết trong nỗ lực ứng phó biến đổi khí hậu. Theo Báo cáo đánh giá lần thứ năm của Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC), nguồn phát thải N₂O từ nông nghiệp chiếm khoảng 60% lượng N₂O do con người tạo ra.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu giảm phát thải từ các cây trồng cộng sinh, đặc biệt là cây đậu tương, vốn là nguồn phát thải N₂O đáng kể trong nông nghiệp, là vô cùng quan trọng.
Cây đậu tương hình thành mối quan hệ cộng sinh với vi khuẩn nốt sần trong đất. Các vi khuẩn này cư trú trong các nốt sần ở rễ cây, có khả năng cố định nitơ từ khí quyển và cung cấp nguồn dinh dưỡng cho cây.
Nhờ đó, đậu tương có nhu cầu phân đạm thấp hơn nhiều so với các cây trồng khác. Tuy nhiên, quá trình lão hóa và phân hủy nốt sần sau thu hoạch lại tạo ra một lượng đáng kể khí N₂O.
TS. Imaizumi-Anraku (Trưởng nhóm nghiên cứu) chia sẻ rằng, việc nghiên cứu mối liên hệ giữa gen bất tương thích và các effector đã gợi mở ý tưởng về một chủng vi khuẩn cộng sinh ưu thế không mang effector và đó chính là điểm khởi đầu của công trình này.
Một số chủng vi khuẩn nốt sần có chứa gen mã hóa enzyme N₂O reductase, giúp phân giải N₂O thành nitơ phân tử (N₂). Dựa trên đặc tính này, các nhà khoa học đã cố gắng giảm phát thải N₂O sau thu hoạch bằng cách bổ sung và tạo cộng sinh cho cây đậu tương với các chủng vi khuẩn nốt sần có khả năng phân giải N₂O mạnh.
Tuy nhiên, trong đất canh tác tồn tại nhiều chủng vi khuẩn bản địa yếu hoặc không có khả năng khử N₂O, dẫn đến cạnh tranh xâm nhiễm, khiến phần lớn nốt sần bị chiếm bởi vi khuẩn bản địa thay vì vi khuẩn khử N₂O. Hệ quả là hiệu quả giảm phát thải khí N₂O còn thấp.
Phát triển hệ thống cộng sinh ưu thế
Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã phát triển một hệ thống cộng sinh ở cây đậu tương nhằm tăng tỷ lệ nốt sần có khả năng khử N₂O xâm nhiễm, bằng cách khai thác hiện tượng “bất tương thích cộng sinh” được quan sát trong quá trình hình thành nốt sần.
Hiện tượng bất tương thích xảy ra khi các giống đậu tương mang gen bất tương thích đặc hiệu nhận biết được các protein effector (hiệu ứng) do vi khuẩn tiết ra, từ đó ngăn cản sự xâm nhiễm và hình thành nốt sần của các chủng vi khuẩn không mong muốn.
Các nghiên cứu trước đây cho thấy, Gen Rj2 của đậu tương ngăn cản sự xâm nhiễm của vi khuẩn mang effector NopP122; Gen GmNNL1 ngăn cản các vi khuẩn mang các effector NopP6 và NopP110.
Từ đó, nhóm nghiên cứu đã lai tạo các giống đậu tương đồng thời mang hai gen bất tương thích Rj2 và GmNNL1, đồng thời chọn lọc các chủng vi khuẩn khử N₂O tự nhiên không còn sản sinh các effector NopP do đột biến tự nhiên.
Vì phần lớn vi khuẩn bản địa đều mang các effector NopP6, NopP110 hoặc NopP122, chúng không thể xâm nhiễm vào cây đậu tương có gen bất tương thích kép. Ngược lại, các chủng vi khuẩn khử N₂O không có effector NopP lại có thể thiết lập mối cộng sinh ưu thế với giống đậu tương này.
Kết quả thí nghiệm và ứng dụng thực tiễn
Khi tiến hành thí nghiệm đối chứng, nhóm nghiên cứu trộn đều hai loại vi khuẩn - một loại có effector và một loại không có effector và chủng vi khuẩn vào cả hai loại đậu tương - có và không có gen bất tương thích.
Kết quả cho thấy, ở giống đậu tương có gen bất tương thích, tỷ lệ nốt sần bị chiếm bởi vi khuẩn khử N₂O vượt 90%. Lượng phát thải N₂O trong đất giảm xuống chỉ còn 15% so với giống không mang gen bất tương thích.
Trong điều kiện thực địa, tỷ lệ chiếm nốt sần của vi khuẩn khử N₂O đạt 64%, và phát thải N₂O giảm xuống còn 26% so với lô không được chủng vi khuẩn khử N₂O.
Nhà nghiên cứu Nishida hy vọng, nếu ứng dụng được kết quả này trong tương lai, việc canh tác đậu tương sẽ giúp giảm đáng kể lượng khí nhà kính phát thải từ nông nghiệp, góp phần vào nỗ lực toàn cầu chống biến đổi khí hậu./.