Không khí gần như là một trò đùa. Không gì có thể chống lại oxy nhưng 78% không khí lại là nitơ. Nitơ 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 nitơ 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.
Nitơ 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 người đều giống nhau - không có biện pháp tự nhiên nào có thể phá vỡ mối liên kết đó. Đây là điểm mà nhân loại bị các sinh vật tầm thường qua mặt Những dạng sự sống "đơn giản", 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 nitơ, 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, miễn là có nguồn năng lượng có thể nâng nhiệt độ lên 400 hoặc 500oC và áp suất là 200 atmosphere. Vậy mà lớp váng trên mặt hồ bạn có thể cố định nitơ ở nhiệt độ phòng và áp suất khí quyển bình thường.
Các cây đậu và họ đậu có khả năng tự tạo nitơ từ vi khuẩn mà có khả năng phá vỡ mối liên kết 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 nitơ 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 thực 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 nitơ. Với sự giúp sức từ những người bạn này, các loài cây trên có thể 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 thực thực phẩm có thể sử dụng nitơ từ N2 trong không khí.
Allan Downie, thuộc Trung tâm John Innes (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 cũng hỏi tôi khi nào chúng ta có thể tạo ra bột mì tự cố định nitơ". Downie cho biết mọi chuyện không đơn giản như thế. Ông đã bắt đầu nghiên cứu việc cố định nitơ 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 khuẩn của chúng đã phát hiện ra sự đa dạng mới, bất ngờ trong việc cố định nitơ 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 nitơ
Theo David Dalton thuộc 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 nitơ đến mức chúng được công nhận là nguồn lực chính của thành phần hóa học đại dương.
Phần lớn nitơ 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 nitơ 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 được biết là có thể sản xuất axít axêtic. Nhưng dưới những điều kiện thích hợp, loài này sản xuất đủ nitơ 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 nitơ, 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 nitơ trông "cực kỳ xương xẩu" này sống 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 nitơ 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 nitơ 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 hình thành với vi khuẩn thuộc nhánh alpha của 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 tên beta. Nhóm đầu tiên, thành viên của họ Burkholderia, được phát hiện cố định nitơ 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 nitơ 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 nitơ, 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 giờ 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 nitơ 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 hiểm. 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 thủ 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 vẫn nghĩ nó theo cách của một vũ điệu, nhưng có lẽ do tôi học balê quá lâu". Ann và cộng sự Angie Lee, hiện thuộc ĐH California, San Diego, mô tả quá trình này theo mô hình vũ balê 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 nitơ (ảnh dưới bên trái). Gunnera (ảnh dưới bên phải) cũng tìm một loài vi khuẩn như cyanobacteria để cố định nitơ 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 canxi nhanh chóng di chuyển vào các sợi rễ (theo Hirsch là điệu Allergo). Thường chỉ trong vài giây phóng một đợt yếu tố nốt, canxi cũng đổ vào các tế bào sợi rễ. Thêm vài phút nữa, hàm lượng canxi bắt đầu lao vào lặp đi lặp lại, tiếp nối trong vòng một giờ. Theo như Hirsch tính toán thì điều này có thể kích hoạt những gen 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 balê này còn hàm chứa nhiều điều ngạc nhiên. Mùa hè trước, hai loài vi khuẩn ORS278 và 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 một 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 cụ 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 lần so với những cộng sự khác kém hiệu quả hơn, chỉ hình thành nốt nhưng không cố định nitơ.Những nhóm nghiên cứu khác đang kiểm nghiệm những gen mà thực vật sử dụng trong quá trình thương lượng với người cộng sự của mình. Loại gen 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 trình 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 hình 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 chất dinh dưỡng như phốtphát từ đất lên cây.
Vi khuẩn cyanobacteria tự do, ví dụ như loài Mastigocladus laminosus này, cố định được nhiều nitơ và tỏ ra có vai trò quan trọng trong những vòng dinh dưỡng toàn cầu. (Ảnh: G. Wanner, Getty Images).
Những cây phi lao Australia với tán lá mượt như lông tơ không phải thuộc họ đậu, và chúng không kết thân với những vi khuẩn nhóm đậu. Hiện nay, Bogusz phát hiện rằng, giống như cây họ đậu, loài cây này dựa vào SymRK khi chúng nhóm với các vi khuẩn cố định nitơ khác, Frankia. Bogusz và cộng sự cũng trình bày trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences ngày 25 tháng 3. Loài cây này cũng dùng SymRK để nối với một phiên bản mạng lưới nấm. Phát hiện này ủng hộ cho một lý thuyết rằng thực vật sử dụng các nốt cố định nitơ đã tiến hóa năng lượng bằng cách mượn những yếu tố của hệ thống cổ xưa rộng rãi để hình thành mối quan hệ cộng tác với nấm.
Tương lai của cây lương thực cố định nitơ
Bogusz cho rằng phát hiện ra những gen cố định nitơ và tạo ra khả năng cố định nitơ trên những mùa vụ không phải đậu "rất có thể xảy ra trong thời gian dài".
Theo Eric Triplett, ĐH Florida ở Gainesville, cho biết hiện tại có thể là thời điểm thích hợp cho một đợt thúc đầy đối với vụ mùa tái biến đổi. Những nỗ lực ban đầu vào những năm 1970 không tiến triển nhiều, nhưng do không có nhiều quỹ hỗ trợ liên tục và công cụ sẵn có như ngày nay. Năm trước ông đã thuyết trình trước Hội đồng Nghiên cứu quốc gia về triển vọng của thành công này.
Triplett phản đối ý tưởng cố gắng dời khả năng của cây họ đậu tìm kiếm vi khuẩn thích hợp và phát triển nốt sang một loài khác về căn bản như ngô. Muốn thực hiện điều đó cần phải điều chỉnh cả một bộ những gen thực vật chuyên biệt để tìm những cộng sự vi khuẩn đặc biệt. "Tôi có cảm giác rằng, mọi chuyện không phải là quá khó. Đối với tôi, cách duy nhất cần làm là biến đổi thực vật trực tiếp với những gen cố định nitơ".
Vi khuẩn thực hiện phép màu với hơn 20 loại gen, nhưng thực vật chỉ có một số phiên bản của chúng. Ông đề nghị đưa cơ chế này vào một trong những bộ máy chuyển hóa năng lượng vốn đã hoạt động trong tế bào thực vật, như năng lượng sinh ty lạp thể hoặc lạp lục bắt ánh sáng. "Tôi không nghĩ sẽ có điều gì quan trọng hơn bạn có thể làm để cung cấp thực phẩm cho vùng hạ Sahara châu Phi".
Thậm chí nếu đưa các gen cố định nitơ trực tiếp vào các cây có hứa hẹn một phương pháp dễ dàng hơn thì điều này vẫn còn khó khăn. Ví dụ, Downie lưu ý sẽ tốn kém và thỏa hiệp nếu cơ chế phức tạp này có thể xuất hiện ở một loại cây mới. Dù có khả năng hóa sinh đó, thực vật vẫn sẽ cần một lượng lớn năng lượng để phá vỡ liên kết ba nitơ. Những tính toán dựa trên các loại enzyme vi khuẩn ước lượng rằng xử lý một phân tử của N2 cần nhiều phân tử ATP, đơn vị năng lượng của tế bào, nhiều hơn xử lý phân tử CO2 trong quang hợp ít nhất 8 lần. Năng lượng này sẽ không được dành cho những chức năng khác, như tạo lá hoặc hạt đậu.
Những vụ mùa đậu tự tạo nitơ thường cho năng suất thấp hơn ngô và bột mì được bón phân. Vì vậy cho thêm quyền năng cố định nitơ có thể khiến cho một số loài giảm hiệu suất nông nghiệp. Downie cho biết "Bạn sẽ không nhận được gì từ hư không. Liệu bạn sẽ chấp nhận đánh đổi năng suất không"?
Việc năng suất giảm có thể là một bất lợi nhưng theo Vaclav Smil, ĐH Manitơba, Canada, có một cách nhìn khác đối với vấn đề nguồn cung cấp nitơ. Ông đã theo dõi việc sử dụng nitơ trên thế giới và ông không hề hy vọng các kỹ sư di truyền sẽ tạo ra một loại thực phẩm tự sản xuất phân bón trong thời gian ngắn. "Họ đã hứa hẹn điều đó từ rất lâu rồi".
"Với khẩu phần như ngày nay, khoảng 40% tất cả thực phẩm được sản xuất nhờ vào phân bón nhân tạo". Nhưng sự phụ thuộc đó đến từ một hệ thống thực phẩm mà ông gọi là "đều bị quản lý sai lầm".
Smil đưa dữ liệu về lượng dùng thừa và thải đi từ một bảng. Ví dụ, ngân quỹ phân bón khác nhau khá nhiều dựa vào chọn lựa thực phẩm, đặc biệt là bao nhiêu nông sản thịt và sữa một quốc gia tiêu thụ. Khẩu phần của Mỹ, dựa vào khoảng 50% phân bón nhân tạo, tiêu thụ thịt gần như gấp 5 lần trên mỗi khẩu phần châu Á.
Những thử thách của việc cung cấp nitơ cho thói quen thực phẩm hiện nay của thế giới là rất thật nhưng ông nghĩ rằng thật sai lầm khi chờ sự ra đời của bột mì cố định nitơ. "Hãy giảm sự thất thoát thực phẩm. Trước khi đưa liệu pháp gen vào tất cả mọi thứ, hãy thay đổi khẩu phần ăn".
Hoàng Hà Nam (Theo Science News).