Nấm mycorrhiza là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Nấm mycorrhiza là gì?

Nấm mycorrhiza là một nhóm nấm đất hình thành mối quan hệ cộng sinh với rễ cây, giúp cải thiện khả năng hấp thu khoáng chất, đặc biệt là phospho, và đồng thời nhận các sản phẩm quang hợp từ cây chủ. Đây là một trong những mối tương tác sinh học lâu đời nhất, có từ khoảng 400 triệu năm trước, đóng vai trò thiết yếu trong tiến hóa thực vật.

Trong hệ cộng sinh này, cây cung cấp carbohydrate (chủ yếu là đường và lipid) cho nấm, còn nấm mở rộng hệ thống hấp thu của rễ thông qua mạng lưới sợi nấm (hyphae) trong đất. Nấm có khả năng tiếp cận các khoáng chất mà rễ cây không thể với tới, đặc biệt trong môi trường đất nghèo dinh dưỡng.

Theo ScienceDirect, hơn 80% loài thực vật bậc cao trên Trái Đất có khả năng thiết lập quan hệ cộng sinh với nấm mycorrhiza, cho thấy vai trò phổ quát và quan trọng của nhóm nấm này trong các hệ sinh thái.

Các loại mycorrhiza chính

Mycorrhiza được phân chia thành nhiều loại, nhưng hai nhóm chính có ý nghĩa sinh thái và nông nghiệp lớn nhất là ectomycorrhiza (ngoại sinh) và endomycorrhiza (nội sinh). Trong đó, endomycorrhiza, cụ thể là arbuscular mycorrhiza (AM), là loại phổ biến nhất, chiếm ưu thế ở thực vật nông nghiệp và nhiệt đới.

Ectomycorrhiza chủ yếu hiện diện ở các cây thân gỗ như thông, sồi, bạch đàn. Nấm không xâm nhập vào tế bào rễ mà bao phủ bên ngoài rễ, đồng thời hình thành mạng lưới Hartig giữa các tế bào vỏ. Ngược lại, arbuscular mycorrhiza xuyên vào tế bào vỏ rễ và phát triển cấu trúc phân nhánh gọi là arbuscules – nơi trao đổi chất diễn ra.

Bảng dưới đây so sánh đặc điểm giữa hai nhóm chính:

Thông tin chi tiết: American Phytopathological Society

Cơ chế cộng sinh

Mối quan hệ cộng sinh giữa nấm mycorrhiza và cây chủ được hình thành thông qua tín hiệu phân tử phức tạp. Cây tiết ra flavonoid và strigolactone vào đất để thu hút nấm. Nấm đáp lại bằng các phân tử Myc factors, kích thích rễ cây phát triển cấu trúc đặc hiệu cho sự xâm nhập và hình thành cộng sinh.

Sau khi xâm nhập, nấm phát triển mạng lưới hyphae xuyên qua đất và tiếp xúc trực tiếp với khoáng chất không tan như phosphat, kẽm, sắt. Các chất này được vận chuyển qua hyphae và chuyển giao cho cây qua các cấu trúc như arbuscules trong AM hoặc mạng lưới Hartig trong ectomycorrhiza. Đồng thời, nấm nhận đường như glucose và sucrose do cây sản xuất qua quá trình quang hợp.

$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{ATP}$

Cơ chế này giúp cả hai bên tối ưu hóa hiệu suất sử dụng tài nguyên: cây khai thác khoáng chất hiệu quả hơn trong khi nấm duy trì được năng lượng và khả năng sinh sản trong môi trường đất biến động.

Vai trò sinh thái

Nấm mycorrhiza là kiến trúc sư của mạng lưới ngầm trong hệ sinh thái, đôi khi được gọi là "Wood Wide Web". Thông qua mạng lưới này, nhiều cây có thể kết nối và truyền tín hiệu hóa học, nước hoặc dưỡng chất lẫn nhau, tạo thành một cộng đồng thực vật có tính hợp tác cao. Điều này rất quan trọng trong rừng già hoặc các hệ sinh thái đa tầng.

Bên cạnh chức năng vận chuyển tài nguyên, mycorrhiza còn góp phần tăng tính ổn định của đất thông qua việc hình thành cấu trúc keo đất nhờ sợi nấm và glycoprotein như glomalin. Chúng tạo điều kiện cho vi sinh vật đất phát triển, hỗ trợ phân hủy chất hữu cơ và tăng vòng tuần hoàn dinh dưỡng.

• Giúp cây chống chịu hạn, mặn, kim loại nặng
• Tăng cường khả năng chống bệnh rễ
• Ổn định cấu trúc đất và ngăn xói mòn

Tham khảo: Nature – Mycorrhizal networks enhance ecosystem stability

Ảnh hưởng đến sinh trưởng thực vật

Mycorrhiza có tác động rõ rệt đến sinh trưởng của thực vật, đặc biệt trong điều kiện đất nghèo dinh dưỡng, hạn hán hoặc nhiễm mặn. Nhờ khả năng mở rộng vùng hấp thu khoáng chất và nước, cây có mycorrhiza thường đạt sinh khối cao hơn, phát triển rễ tốt hơn và có tỷ lệ sống sót cao hơn trong điều kiện khắc nghiệt.

Arbuscular mycorrhiza (AM) giúp cây hấp thu phospho (P), một yếu tố dinh dưỡng thiết yếu nhưng khó di chuyển trong đất. Đồng thời, chúng cũng tăng hấp thu các nguyên tố vi lượng như kẽm (Zn), đồng (Cu) và mangan (Mn). Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến quang hợp, hô hấp và tổng hợp protein của cây.

Ví dụ về ảnh hưởng tích cực của mycorrhiza đến cây trồng:

Ứng dụng trong nông nghiệp

Mycorrhiza đang trở thành một giải pháp sinh học quan trọng trong nông nghiệp bền vững. Việc bổ sung inoculum nấm mycorrhiza vào đất giúp cây hấp thu khoáng hiệu quả hơn, giảm nhu cầu phân bón hóa học và tăng khả năng chống chịu với điều kiện bất lợi như khô hạn, độ mặn cao hoặc đất bạc màu.

Nhiều chế phẩm sinh học từ nấm mycorrhiza được thương mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp hữu cơ và tái sinh. Đặc biệt trong canh tác bền vững và nông nghiệp tái tạo (regenerative agriculture), mycorrhiza được coi là công nghệ sinh học nền tảng.

• Giảm sử dụng phân bón NPK
• Cải thiện khả năng ra hoa và kết quả
• Hạn chế rửa trôi khoáng chất và ô nhiễm đất

Chi tiết nghiên cứu: Frontiers in Plant Science – Mycorrhiza in Agriculture

Ảnh hưởng đến biến đổi khí hậu

Nấm mycorrhiza đóng vai trò quan trọng trong chu trình carbon toàn cầu thông qua việc cố định và lưu trữ carbon trong đất. Hệ sợi nấm dưới lòng đất hoạt động như một mạng lưới carbon ổn định, giúp ngăn cản sự thoát hơi carbon dioxide vào khí quyển và thúc đẩy tích lũy chất hữu cơ trong đất.

Một số loài nấm cộng sinh còn tạo ra glomalin – một loại glycoprotein giúp liên kết các hạt đất, ổn định cấu trúc đất và lưu trữ carbon lâu dài. Các hệ sinh thái có mật độ nấm mycorrhiza cao thường có tỷ lệ phát thải khí nhà kính thấp hơn.

$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{quang hợp}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + \text{O}_2$

Ngoài ra, cây có mycorrhiza hấp thu nước tốt hơn, giúp giảm nhu cầu tưới tiêu và gián tiếp làm giảm lượng khí CO2 phát thải từ các hoạt động nông nghiệp.

Tiềm năng phục hồi hệ sinh thái

Trong các chương trình phục hồi hệ sinh thái, đặc biệt ở vùng đất thoái hóa, mỏ khai thác hoặc rừng bị chặt phá, việc bổ sung mycorrhiza giúp tái tạo hệ sinh học dưới đất và tạo điều kiện cho thực vật bản địa tái sinh. Nấm cải thiện khả năng thiết lập của cây non, giảm stress sinh thái và tăng tỷ lệ sống.

Phytoremediation – công nghệ sử dụng cây và vi sinh vật để khử độc môi trường – có thể kết hợp với mycorrhiza để xử lý đất nhiễm kim loại nặng như chì (Pb), cadmi (Cd), hoặc asen (As). Nấm giúp tăng khả năng tích lũy hoặc cô lập kim loại trong rễ cây mà không gây tổn hại đến cây chủ.

• Phục hồi đất bạc màu, nghèo hữu cơ
• Tái lập rừng ở vùng khô hạn
• Giảm chi phí tái sinh sinh thái so với giải pháp kỹ thuật

Hạn chế và thách thức nghiên cứu

Việc nghiên cứu và ứng dụng mycorrhiza còn gặp nhiều thách thức, đặc biệt trong việc nuôi cấy và sản xuất đại trà. Nhiều loài nấm mycorrhiza không thể nuôi cấy ngoài cây chủ hoặc cần điều kiện rất đặc biệt để hình thành cộng sinh hiệu quả.

Tính đặc hiệu giữa nấm và cây chủ cũng là trở ngại lớn. Một chủng nấm có thể cộng sinh tốt với cây A nhưng lại không hiệu quả hoặc thậm chí gây ức chế cây B. Điều này đòi hỏi phải có nghiên cứu địa phương hóa, xác định tổ hợp nấm – cây phù hợp với hệ sinh thái cụ thể.

Những hạn chế hiện tại bao gồm:

1. Thiếu dữ liệu phân loại di truyền chính xác
2. Khó nhân giống nhanh và ổn định
3. Chưa tích hợp đầy đủ vào hệ thống canh tác quy mô lớn

Kết luận

Nấm mycorrhiza là một nhân tố không thể thiếu trong cấu trúc và chức năng của hệ sinh thái đất. Chúng không chỉ hỗ trợ cây trồng hấp thu dinh dưỡng mà còn đóng vai trò bảo vệ, phục hồi và ổn định hệ sinh thái dưới lòng đất.

Việc hiểu và ứng dụng mycorrhiza trong nông nghiệp, phục hồi sinh thái và ứng phó với biến đổi khí hậu mở ra hướng phát triển bền vững hơn cho ngành canh tác cũng như chiến lược bảo tồn thiên nhiên. Tương lai của nấm mycorrhiza phụ thuộc vào việc đầu tư nghiên cứu dài hạn, chuyển giao công nghệ và bảo tồn đa dạng sinh học đất.