Một cây Arabidopsis hoang dại khỏe mạnh (trái) và một cây đột biến bị mất cân bằng vi sinh (phải). Thịnh Dương Hà, CC BY-SA

Nhiều người trong chúng ta đã nghe nói về bệnh viêm ruột, một tình trạng suy nhược có liên quan đến tập hợp bất thường của các vi sinh vật trong ruột người - được gọi là hệ vi sinh vật đường ruột. Phòng thí nghiệm của tôi gần đây đã phát hiện ra rằng, giống như con người, thực vật cũng có thể phát triển tình trạng này, được gọi là bệnh rối loạn sinh học, với những hậu quả nghiêm trọng.

Là một phần của nghiên cứu này, các đồng nghiệp của tôi và tôi đã phát hiện ra rằng một số gen và quy trình liên quan đến việc kiểm soát bệnh loạn khuẩn ở thực vật có thể tương tự như ở người. Việc phát hiện ra bệnh loạn khuẩn ở giới thực vật mở ra những khả năng mới để kích thích sự đổi mới trong sức khỏe thực vật và an ninh lương thực toàn cầu.

Tôi là một nhà vi sinh thực vật quan tâm đến cách thực vật và vi sinh tương tác với nhau. Mặc dù nghiên cứu của chúng tôi trong quá khứ tập trung vào chi tiết phân tử của nhiễm trùng gây bệnh, công trình này đã đưa phòng thí nghiệm của tôi vào thế giới hấp dẫn của hệ vi sinh vật thực vật.

Thực vật có quần xã vi sinh không?

Khi các nhà khoa học nói rằng "vi khuẩn đường ruột" của con người phải được cân bằng tốt, họ đang đề cập đến vật chất di truyền của tất cả các vi sinh vật sống trong hệ tiêu hóa của con người, hoặc hệ vi sinh vật đường ruột. Thực vật cũng có vi sinh vật? Câu trả lời là có.

Trên thực tế, các bộ phận của thực vật mọc trên mặt đất, được gọi là phyllosphere, và những bộ phận phát triển bên dưới, được gọi là rhizosphere, cung cấp một trong những môi trường sống lớn nhất cho sự xâm chiếm của vi khuẩn trên Trái đất. Cả hai đều quan trọng đối với sự sống của con người trên Trái đất.

Thực vật quyển lấy carbon dioxide cho quá trình quang hợp, cần thiết để xây dựng sinh khối và là nguồn cung cấp thực phẩm, nhiên liệu, sợi và thuốc chính. Quá trình quang hợp cũng giải phóng oxy cho động vật và con người thở, đó là lý do tại sao thực vật thường được coi là lá phổi của hành tinh chúng ta. Mặt khác, tầng sinh quyển lấy nước và chất dinh dưỡng từ đất.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng vi sinh thực vật giúp cây hút chất dinh dưỡng từ đất và đối phó với hạn hán, mầm bệnh, côn trùng và các áp lực khác.

Nghiên cứu sinh thái học cũng đã lưu ý rằng sự đa dạng của vi sinh vật sống trên lá cây càng nhiều thì cây càng có vẻ năng suất cao.

Ngày nay, hầu hết các nhà khoa học thực vật tin rằng các chiến lược toàn cầu để đảm bảo năng suất cây trồng và an ninh lương thực phải xem xét hệ vi sinh vật của thực vật. Tổ chức Nông lương của LHQ ước tính rằng tới 40% cây lương thực bị mất do sâu bệnh hại thực vật hàng năm và Đại hội đồng Liên hợp quốc đã tuyên bố năm 2020 là Năm Quốc tế về Sức khỏe Thực vật.

Một số vi sinh vật có liên quan đến lá và chồi, trong khi một số bộ khác biệt sống giữa rễ. Thịnh Dương Hà, CC BY-SA

Làm thế nào để thực vật giữ cho hệ vi sinh vật khỏe mạnh?

Do tầm quan trọng của hệ vi sinh vật - cộng đồng vi sinh vật cụ thể sống trên hoặc gần thực vật - đối với sức khỏe thực vật, chúng tôi lý luận rằng thực vật phải phát triển một mạng lưới di truyền tinh vi để chọn ra hỗn hợp vi sinh vật phù hợp.

Nếu điều đó là đúng, thì việc biết được gen thực vật nào ảnh hưởng đến các loại vi sinh vật xung quanh cây trồng có thể hướng dẫn các nghiên cứu trong tương lai nhằm tối ưu hóa hệ vi sinh vật thực vật để giúp cây trồng phát triển tốt hơn, khỏe hơn và tạo ra nhiều sinh khối và năng suất hơn.

Thật vậy, nhóm của tôi hiện đã xác định được một số gen “kiểm soát hệ vi sinh vật” này trong cây mô hình Arabidopsis thaliana.

Chúng tôi nhận thấy rằng một số gen liên quan đến khả năng miễn dịch của thực vật và cân bằng nước là rất quan trọng để lựa chọn và duy trì một hệ vi sinh vật khỏe mạnh bên trong Cây xạ hương lá cây.

Khi chúng tôi loại bỏ các gen đã xác định này khỏi thực vật, Cây xạ hương các đột biến thực vật không thể lưu trữ sự kết hợp chính xác của các vi sinh vật và biểu hiện các triệu chứng của bệnh loạn khuẩn, bao gồm cả lá chết hoặc vàng. Theo như chúng tôi biết, đây là lần đầu tiên những tác động tiêu cực của chứng loạn khuẩn đã được ghi nhận nhân quả trong giới thực vật.

[Bạn cần hiểu về đại dịch coronavirus, và chúng tôi có thể giúp đỡ. Đọc bản tin của Hội thoại.]

Đặc điểm thú vị của cây 'ốm'

Các đồng nghiệp của tôi và tôi đã quan sát thấy một số đặc điểm rối loạn sinh học đáng chú ý ở người đột biến của chúng tôi Cây xạ hương cây.

Đầu tiên, các đột biến gây rối loạn sinh học có xu hướng có lượng vi sinh vật sống bên trong lá cao bất thường.

Một lá từ cây Arabidopsis khỏe mạnh (trái) và một lá từ cây đột biến loạn khuẩn (phải). Thịnh Dương Hà, CC BY-SA

Thứ hai, có một sự thay đổi mạnh mẽ trong sự đa dạng của vi sinh vật. Ví dụ, trong bình thường Cây xạ hương lá cây, có tất cả các loại vi khuẩn sống bên trong lá. Ngược lại, sự đa dạng tổng thể của vi khuẩn bị giảm đáng kể trong các đột biến loạn sinh, cho thấy rằng các cây khỏe mạnh thúc đẩy sự đa dạng của vi sinh vật, có lẽ là để tăng lợi ích cho sức khỏe thực vật.

Thứ ba, trong khi vi khuẩn thuộc về phylum Fermicute có nhiều bên trong loại hoang dã Cây xạ hương lá, sự phong phú bị giảm đáng kể trong các đột biến gen của chúng tôi. Ngoài ra, chúng tôi đã thấy sự gia tăng đáng kể số lượng vi khuẩn có hại bên trong những chiếc lá đột biến gây bệnh rối loạn sinh học. Chúng tôi thấy thú vị rằng một số thay đổi hệ vi sinh vật này cũng được quan sát thấy ở bệnh nhân mắc bệnh viêm ruột, cho thấy sự tương đồng về mặt khái niệm trong sự phát triển của chứng loạn khuẩn ở người và thực vật.

Cái gì tiếp theo?

Chúng tôi rất vui mừng về việc xác định được một số gen thực vật và các quy trình liên quan đến việc ngăn ngừa bệnh loạn khuẩn. Các gen kiểm soát hệ vi sinh vật mà chúng tôi đã xác định được trong Cây xạ hương được tìm thấy trong bộ gen của nhiều loài thực vật khác, cho thấy những phát hiện của chúng tôi có thể có khả năng ứng dụng rộng rãi.

Trong tương lai, chúng tôi có thể thử nghiệm việc thay đổi các gen vật chủ này, điều này có thể dẫn đến các phương pháp tiếp cận dựa trên hệ vi sinh vật để cải thiện sức khỏe thực vật. Ví dụ, công nghệ chỉnh sửa gen có thể được sử dụng để tạo ra một quần xã sinh vật khỏe mạnh trong lá cây bằng cách tăng cường biểu hiện của các gen cụ thể. Một hệ vi sinh vật lành mạnh tổng hợp có thể được xây dựng như một chế phẩm sinh học để ngăn ngừa bệnh loạn khuẩn ở thực vật, giống như Probiotics đã được hứa hẹn để cải thiện sức khỏe hệ vi sinh vật đường ruột của con người.

Lưu ý, đột biến gen liên quan đến hệ thống miễn dịch của một người, là một yếu tố nguy cơ phát triển bệnh viêm ruột ở người. Có lẽ, nghiên cứu trong tương lai sẽ tìm thấy nhiều đặc điểm chung hơn trong cách thực vật và con người tương tác với hệ vi sinh vật tương ứng của họ để ngăn ngừa bệnh tật.

Việc dễ dàng nghiên cứu di truyền ở thực vật, chẳng hạn như Arabidopsis, cũng mang lại khả năng rằng các nhà nghiên cứu sẽ có thể xác định nhiều gen hơn liên quan đến việc bảo tồn sức khỏe hệ vi sinh vật ở người và thực vật.

Lưu ý

Sheng-Yang He, Giáo sư Xuất sắc Đại học, Điều tra viên HHMI, Đại học Bang Michigan

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

ing