Cố định ni-tơ: mối quan hệ giữa thực vật và vi khuẩn ppsx

Cố định ni-tơ:
m
ối quan hệ giữa thực
vật và vi khuẩn



Không khí gần như là một trò
đùa. Không gì có thể chống lại
oxy nhưng 78% không khí lại là
ni-tơ. Ni-tơ thường là nguồn gốc
sự sống trên trái đất và là nguồn
dinh dưỡng quyết định sự vật
phát triển đến mức nào, phát
triển ở đâu. Vậy mà lượng lớn ni-
tơ đi qua phổi hoặc lá lại không
giúp ích gì cho động thực vật:
một trong những nguồn tài
nguyên quý giá nhất của sự sống
bị bỏ phí qua từng hơi thở.

Ni-tơ trôi nổi trong không khí ở
dạng nguyên tử kép (N2) được
khóa chặt với nhau bằng hóa chất
thông qua một mối liên kết ba
thẳng. Mặc dù rất cần nguyên tố
này, cơ thể sinh vật sống vừa đủ độ
phức tạp khi có tế bào có nhân –

paramecia, khoai tây hay ngư
ời đều
giống nhau – không có biện pháp
tự nhiên nào có thể phá vỡ mối li
ên
kết đó. Đây là điểm mà nhân lo
ại bị
các sinh vật tầm thường qua mặt
Những dạng sự sống “đơn gi
ản”, ví
dụ như cyanobacteria trôi nổi trong
nước hoặc nhóm vi khuẩn rhizobia
lẩn khuất trong đất, có thể phá vỡ
sự liên kết này. Chiến công này,
được gọi là sự cố định ni-tơ, biến
N2 thành một dạng amoniac dễ sử
dụng hơn.

Kể từ năm 1920, biện pháp công
nghiệp Haber-Bosch đã giúp con
người tách mối liên kết 3 này, miễ
n
là có nguồn năng lư
ợng có thể nâng
nhiệt độ lên 400 hoặc 500oC và áp
suất là 200 atmosphere. Vậy mà l
ớp
váng trên m
ặt hồ bạn có thể cố định
ni-tơ ở nhiệt độ phòng và áp suất

khí quyển bình thường.

Các cây đậu và họ đậu có khả năng
tự tạo ni-tơ từ vi khuẩn mà có khả
năng phá vỡ mối liên k
ết ba của N2
ở nhiệt độ phòng. Trong những
thập niên gần đây, các nhà khoa
học đã nghiên cứu tìm cách đưa
những khả năng đó vào hoa màu.

Một số loài thực vật nhất định có
những giải pháp gọn gàng hơn. Tự
bản thân chúng, đậu nành, đậu, cây
tổng quán sủi và những loài khác,
có thể cố định ni-tơ tốt hơn bất kỳ
người nào. Thực chất chúng hấp
dẫn những vi khuẩn di cư vào và
giúp chúng làm nhiệm vụ trên.

Trong một xã hội vượt ranh giới
cũng phức tạp như xã hội loài
người, vi khuẩn và th
ực vật trao đổi
những tín hiệu và những bài kiểm
tra thiện ý hóa chất cho đến khi vi
khuẩn di cư ổn định, thường là
trong những hốc hoặc chỗ lồi đặc
biệt của cây, và bắt đầu cố định ni-
tơ. Với sự giúp sức từ những người

bạn này, các loài cây trên có th
ể lấy
được phân bón từ không khí.

Điều này cũng đủ để con người
phải ghen tị với giống đậu nành.
Sản xuất phân bón thông qua
phương pháp Haber-Bosch cho
mùa màng tiêu tốn nguồn năng
lượng khủng khiếp. Và khi chi phí
năng lượng đang lên cao, chưa kể
đến đốt cháy năng lượng hóa thạch
làm tăng lượng khí nhà kính, và
dân số toàn cầu tăng nhanh đòi hỏi
nhiều thực phẩm hơn nữa. Chỉ đối
với 1/3 dân số thế giới, nhiều thực
phẩm hơn có nghĩa là nhiều phân
bón nhân tạo hơn. Mọi việc sẽ đơn
giản hơn nếu lương th
ực thực phẩm
có thể sử dụng ni-tơ từ N2 trong
không khí.

Allan Downie, thuộc Trung tâm
John Innes
ở Norwich, Anh, tác giả
một bài báo gần đây về tín hiệu
thực vật-vi khuẩn trên tờ Annual
Review of Plant Biology, cho biết
“Mọi người lúc nào c

ũng hỏi tôi khi
nào chúng ta có thể tạo ra bột mì
tự cố định ni-tơ”. Downie cho biết
mọi chuyện không đơn giản như
thế. Ông đã bắt đầu nghiên cứu
việc cố định ni-tơ trong suốt những
năm 1980 và nhận thấy còn cả một
quãng đường dài phía trước.

Tin tốt là khoa học đang tăng tốc.
Nghiên cứu cả thực vật và vi khu
ẩn
của chúng đã phát hiện ra sự đa
dạng mới, bất ngờ trong việc cố
định ni-tơ và đem lại cho các nhà
khoa học những mối quan hệ hợp
tác mới để tìm ra những đầu mối
vận hành cơ chế. Các nhà khoa học
cũng đang bổ sung kiến thức về
cách các cây họ đậu dùng một loại
danh sách hóa chất đặc biệt để tìm
và thương thảo với những “công
nhân” vi khuẩn tiềm năng. Khoa
học đang tìm cách học lại quá trình
này, theo dõi từng sắc thái của nó.
Thậm chí khi người thầy ở đây chỉ
là những chấm nhỏ nằm trong đất.

Các loài vi khuẩn cố định ni-tơ

Theo David Dalton thu
ộc ĐH Reed
ở Portland, Oregon, quyền năng
nằm trong những chấm nhỏ đó.
Một số loài, ví dụ như
cyanbacteria, trôi nổi trong đại
dương và xử lý nhiều ni-tơ đến
mức chúng được công nhận là
nguồn lực chính của thành phần
hóa học đại dương.

Phần lớn ni-tơ trong cánh rừng
thông già Douglas thuộc tây bắc
Thái Bình Dương có thể xuất phát
từ loài Nostoc cyanbacteria. Vài
loài địa y Lobaria bao gồm Nostoc
ở dạnh xanh tươi rậm rạp, sau 80
năm có thể thiết lập những thuộc
địa khổng lồ lên tận ngọn cây.
Dalton ví von “Giống như người ta
đổ đi một chuyến tàu đầy rau diếp
vậy.”

Những loài cố định ni-tơ khác thiết
lập các mối quan hệ lỏng lẻo với
thực vật khi định cư gần rễ hoặc
chuyển vào các mô mà không có
chỗ trú ẩn đặc biệt nào cả. Một
trong những loài nổi tiếng nhất,
hiện có tên Gluconacetobacter

diazotrophicus, xuất hiện trong cây
mía ở Brazil vào năm 1988. Nó
thuộc vào một nhóm vi khuẩn đư
ợc
biết là có thể sản xuất z-xít a-xê-
tic.
Nhưng dưới những điều kiện thích
hợp, loài này sản xuất đủ ni-tơ để
giúp mía tăng trưởng.

Tuy nhiên, các mối quan hệ chặt
chẽ nhất gồm nhiều cấu trúc
chuyên biệt hơn, ví dụ như những
mô riêng rẽ trong cây. Cycads mà
Dalton mô tả là trông như “những
cây cọ béo lùn” mọc những khối u
làm chỗ trú cho cyanobacteria. Và
một loài cây ra hoa khá lạ lùng,
Gunnera, chấp nhận những túi
cyanobacteria trong rễ. Chỉ cần cắt
một đoạn rễ Gunnera ngay dưới
một trong những cái lá cỡ chiếc ô
của nó, ta sẽ thấy những đốm màu
xanh lục.

Những quyển sách giáo khoa cũng
đưa các cây họ đậu vào sơ đồ cố
định ni-tơ, nhưng giống vi khuẩn
Frankia tạo nên những nốt nhỏ
trong các cây không thuộc họ đậu,

ví dụ như cây tổng quán sủi và cây
thanh mai. Những loài cố định ni-
tơ
trông “cực kỳ xương xẩu” này s
ống
trong các chùm nốt trên rễ.

Cách sắp xếp thực vật-vi khuẩn nổi
tiếng nhất xuất hiện giữa vi khuẩn
và cây họ đậu. Mỗi cây tuyển dụng
mới lực lượng lao động của mình,
và vi khuẩn đi vào những sợi rễ
nhỏ xíu sau này trở thành những
nốt nhà máy ni-tơ nhìn như những
hạt đậu hồng nhạt. Màu hồng là do
hemoglobin thực vật, họ hàng của
phân tử vận chuyển oxy trong máu
động vật có vú.

“Sự bùng nổ dữ dội” là từ mà John
Howieson, ĐH Murdoch ở
Australia, mô tả sự phát hiện vô số
các loài vi khuẩn cố định ni-tơ
trong nốt cây đậu những năm gần
đây. Các nhà sinh vật học biết rằng
nhiều vi sinh vật xuất hiện bên
trong các nốt nhưng không có cách
đảm bảo nào tách những vi khuẩn
cố định và những vi khuẩn trá
hình.

Trong hơn 100 năm, các nhà sinh
học đã ghi nhận những nốt chỉ h
ình
thành với vi khuẩn thuộc nhánh
alpha c
ủa nhóm Proteobacteria, đặc
biệt là những vi khuẩn trong họ
Rhizobiaceae. Tuy nhiên, bắt đầu
từ năm 2000, các nhà nghiên cứu
đã phát hiện các nodulator trong
một nhánh hoàn toàn mới mang t
ên
beta. Nhóm đầu tiên, thành viên
của họ Burkholderia, được phát
hiện cố định ni-tơ cho các cây
mimosa ở Brazil.

“Chúng ta đã quen với những tổ
màu xám đáng chán, màu trắng
sữa và bây giờ những tổ màu hồng
này xuất hiện.” Bộ sưu tập của
Howieson xuất hiện thêm những vi
khuẩn cố định ni-tơ bao gồm
“những thứ mỏng mảnh, phát triển
nhanh màu hồng lạ lùng” cũng như
“thứ mỏng mảnh màu cam chưa
được đặt tên.”

Một chuyên gia nữa về nốt cố định

ni-tơ, Janet Sprent thuộc ĐH
Dundee ở Scotland, nhớ lại thời hệ
thống hóa đơn giản hơn nhiều.
“Cách đây một thế kỷ mọi thứ trật
tự hơn nhiều, còn bây gi
ờ chúng tôi
đang đi sâu vào một mớ hỗn độn.”

Sprent chỉ ra các nhà khoa học
thậm chí còn chưa bắt đầu khảo sát
nhiều loài cây nhiệt đới, đặc biệt là
các cây họ đậu, mà rất có thể chứa
những loài vi khuẩn cố định ni-tơ
mới.

Tìm hiểu quá trình hợp tác của
thực vật – vi khuẩn

Đối với thực vật, việc cho phép vi
khuẩn cộng sinh là một điều mạo
hi
ểm. Những vị khách phải biết giữ
bản thân không sinh sôi ngoài tầm
kiểm soát, phá hủy cấu trúc cây
hoặc can thiệp vào cơ chế hóa học.
Bù lại loài vi khuẩn có cơ hội
không bị người chủ trọ - nguồn
cung cấp thức ăn - nổi loạn và thiết
lập cơ chế phòng th
ủ đối với chúng.

Vì vậy các nhà nghiên cứu đang
khám phá những tín hiệu trao đổi
tạo nên sự thỏa thuận.

Bruce Hungate, ĐH Bắc Arizona,
Flagstaff, cho biết “Chúng ta đang
có một dạng đối thoại mà chúng ta
chưa thể diễn dịch được hết.”

Ann M. Hirsch thuộc ĐH
California, Los Angeles, cho biết
“Tôi v
ẫn nghĩ nó theo cách của một
vũ điệu, nhưng có lẽ do tôi học ba-
lê quá lâu.” Ann và cộng sự Angie
Lee, hi
ện thuộc ĐH California, San
Diego, mô tả quá tr
ình này theo mô
hình vũ ba-lê trong công trình
đăng
trên Plant Signaling & Behavior
năm 2006.





Đậu nành (ảnh trên bên trái),
một loại cỏ ba lá dại châu Phi

(ảnh trên bên phải) và những cây
cùng họ phát triển những nốt rễ
cổ điển. Cỏ bãi biển châu Phi
không phát triển nốt nhưng cũng
chứa vi khuẩn Burkholderia cố
định ni-tơ (ảnh dưới bên trái).
Gunnera (ảnh dưới bên phải)
cũng tìm một loài vi khuẩn như
cyanobacteria để cố định ni-tơ
trong túi rễ. (Ảnh: USDA,
Howieson, E. Cahill,
iStockphoto)


Họ cho rằng quá trình này bắt đầu
bằng một điệu vũ pas de deux giữa
các sợi rễ, phần phóng thích các
hợp chất flavonoid vào trong đất,
và vi khuẩn xung quanh, đến lượt
mình, giải thoát các phân tử được
gọi là yếu tố nốt. Chỉ cần lượng rất
ít những chất này cũng khiến cho
can-xi nhanh chóng di chuyển vào
các sợi rễ (theo Hirsch là điệu
Allergo). Thường chỉ trong
vài giây
phóng một đợt yếu tố nốt, can-xi
cũng đổ vào các tế bào sợi rễ.
Thêm vài phút nữa, hàm lượng can-
xi bắt đầu lao vào l

ặp đi lặp lại, tiếp
nối trong vòng một giờ. Theo như
Hirsch tính toán thì điều này có thể
kích hoạt những gien xây dựng
nốt.

Nếu tất cả đều thuận lợi, những sợi
rễ nhỏ xoắn lại thành các móc và
cuối cùng xoắn lại xung quanh vi
khuẩn. Ở nhiều loài cây họ đậu,
những tế bào rễ bị cuốn mở ra một
đường ngầm bên trong, hoặc sợi
lây nhiễm, dẫn vi khuẩn vào những
mô – nơi trú ẩn của chúng – cuối
cùng phồng ra thành những nốt.

Vũ điệu ba-lê này còn hàm chứa
nhiều điều ngạc nhiên. Mùa hè
trước, hai loài vi khuẩn ORS278 v
à
BTAi1 hóa ra không có yếu tố nốt.
Thế nhưng vi khuẩn vẫn có thể
hình thành nốt sần ở một số loài
cây họ đậu nhất định theo m
ột cách
đáng nể.

Sharon Long, ĐH Stanford tỏ thái
độ tích cực trước phát hiện này.
“Điều này khá quan trọng. Hiện

công trình chưa trả lời được điều
gì nhưng thực sự mở ra những câu
hỏi mới.”

Thực vật có thể khá kỹ tính khi
chọn cho mình bạn nhảy vi khuẩn.
Ví dụ, công trình hiện nay của
Howieson phát hiện rằng hai loài
cỏ ba lá chọn dòng vi
khuẩn Rhizobium
leguminosarum c
ụ thể thậm chí nếu
chúng hiếm có trong môi trường
đất xung quanh. Howieson và cộng
sự đã viết về điều này trên tờ Soil
Biology and Biochemistry tháng 3
rằng một loài vi khuẩn đặc biệt
hiệu quả rốt cuộc sẽ là người cộng
sự lý tưởng của cỏ ba lá thậm chí
khi dân số của chúng kém gấp 100
l
ần so với những cộng sự khác kém
hiệu quả hơn, chỉ hình thành nốt
nhưng không cố định ni-tơ.Những
nhóm nghiên cứu khác đang kiểm
nghiệm những gien mà thực vật sử
dụng trong quá trình thương lượng
với người cộng sự của mình. Loại
gien SymRK mã hóa một loại
protein liên quan đến quá trình tiếp

nhận các tín hiệu nốt – lời hồi đáp
của vi khuẩn đối với tín hiệu tìm
cộng sự của thực vật.

Tuy nhiên, theo Didier Bogusz
thuộc Viện Nghiên cứu và Phát
triển ở Montpellier, Pháp, thì
SymRK còn những nhiệm vụ khác
trong cây họ đậu. Những công tr
ình
trước đó cũng cho thấy SymRK
hoạt động trong mối quan hệ lâu
đời với cây họ đậu, tương tự như
3/4 các loài thực vật, cho phép h
ình
thành những mối quan hệ mật thiết
giữa rễ và nấm. Mạng lưới nấm
bám chặt rễ này được gọi là
arbuscular mycorrhizae và đưa ch
ất
dinh dưỡng như phốt-phát từ đất
lên cây.


Vi khu
ẩn cyanobacteria tự do, ví dụ
như loài Mastigocladus
laminosus này, cố định được nhiều
ni-tơ và tỏ ra có vai trò quan trọng
trong những vòng dinh dưỡng toàn

cầu. (Ảnh: G. Wanner, Getty
Images)