Nốt rễ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về nốt rễ

Nốt rễ là cấu trúc bất thường phát triển trên rễ của cây họ Đậu khi tương tác cộng sinh với vi khuẩn cố định đạm thuộc chi Rhizobium hoặc Bradyrhizobium. Khối mô này hình thành từ phản ứng qua lại giữa tín hiệu hóa học của cây và vi khuẩn, tạo vùng chuyên biệt để trao đổi chất. Nốt rễ mang lại lợi ích sinh thái rõ rệt trong việc cải thiện độ phì nhiêu của đất thông qua quá trình cố định đạm khí quyển.

Khái niệm nốt rễ được ghi nhận lần đầu vào giữa thế kỷ 19, khi nhà thực vật học người Pháp Charles Darwin chú ý đến khả năng cây họ Đậu phát triển mạnh mẽ trên đất nghèo nitơ. Nghiên cứu sau đó cho thấy nguyên nhân là nhờ vào quan hệ cộng sinh với vi khuẩn, mở ra hướng mới trong sinh học nông nghiệp và môi trường. Kể từ đó, nốt rễ trở thành chủ đề quan trọng trong nghiên cứu về phát triển bền vững và quản lý dinh dưỡng đất.

Trong hệ sinh thái tự nhiên và đồng ruộng, nốt rễ có vai trò then chốt giúp giảm nhu cầu sử dụng phân hóa học, hạn chế ô nhiễm môi trường và phát thải khí nhà kính. Cây họ Đậu với nốt rễ phát triển tốt thường cho năng suất cao và khả năng phục hồi đất tốt hơn. Các chương trình luân canh cây họ Đậu trên quy mô lớn đang được ứng dụng rộng rãi nhằm cải tạo đất bạc màu và duy trì cân bằng dinh dưỡng.

Cấu trúc và đặc điểm mô học

Nốt rễ có cấu trúc phân tầng rõ ràng, gồm các lớp mô khác nhau đảm nhận chức năng chuyên biệt. Lớp ngoại bì (epidermis) và lớp vỏ hành (cortex) là nơi vi khuẩn xâm nhập thông qua cầu vi sinh (infection thread), sau đó di chuyển vào tế bào chủ. Vùng ngoại bì thường bị thay đổi hình thái để hình thành lỗ xâm nhập và ống dẫn vi sinh vật vào bên trong.

Vùng lõi trung tâm (stele) kết nối trực tiếp với mạch gỗ (xylem) và mạch rây (phloem) của rễ cây, đảm nhận chức năng vận chuyển amoniac chuyển hóa và carbohydrate nuôi sống vi khuẩn. Tế bào chủ chứa các đối tượng vi khuẩn chuyển thành bacteroid, nơi diễn ra quá trình cố định đạm. Mật độ bacteroid và tỉ lệ tế bào chủ–vi khuẩn trong nốt ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cố định đạm.

Sử dụng các phương pháp nhuộm mô học như safranin-fast green kết hợp quan sát dưới kính hiển vi sáng và điện tử, người ta có thể xác định rõ từng tầng mô và trạng thái phát triển của bacteroid. Phân tích biểu hiện gene tại các lớp mô khác nhau cũng cho thấy sự điều hòa cụ thể của các gen nod và nif theo vị trí và giai đoạn phát triển của nốt.

Quá trình hình thành nốt rễ

Quá trình hình thành nốt rễ bắt đầu từ tín hiệu flavonoid tiết ra từ tế bào biểu bì rễ, thu hút vi khuẩn Rhizobium trong đất. Flavonoid kích hoạt gene nod (nodulation) ở vi khuẩn, dẫn đến tổng hợp Nod factor – phân tử tín hiệu lơ lửng trong môi trường rhizosphere. Cây chủ nhận diện Nod factor qua các thụ thể trên màng tế bào, khởi động chuỗi phản ứng nội bào để tạo điều kiện cho vi khuẩn xâm nhập.

• Tiết flavonoid từ rễ kích thích tổng hợp Nod factor ở vi khuẩn.
• Hình thành infection thread: vi khuẩn xâm nhập qua lỗ trên biểu bì.
• Phân chia tế bào chủ dưới vùng xâm nhập tạo khối mô nốt.

Sau khi infection thread đưa bacteroid vào tế bào chủ, tế bào biểu bì và vỏ hành gia tăng hoạt động phân bào, hình thành khối mô nốt. Sự điều hòa nội bào của hormone auxin và cytokinin quyết định kích thước và đặc điểm phân chia của mô nốt. Giai đoạn cuối là biệt hóa tế bào và hoàn thiện cấu trúc để tối ưu hóa trao đổi chất.

Thời gian trung bình để một nốt rễ hoàn chỉnh xuất hiện là 10–21 ngày tùy loài cây họ Đậu và điều kiện môi trường. Mật độ nốt và khả năng cố định đạm thay đổi theo giống cây, chủng vi khuẩn và các điều kiện như pH, độ ẩm và nhiệt độ đất.

Cơ chế cố định đạm

Quá trình cố định đạm diễn ra bên trong bacteroid qua enzyme nitrogenase, xúc tác phản ứng biến đổi khí N₂ thành NH₃. Nitrogenase là phức hợp gồm hai thành phần cơ bản và đòi hỏi lượng ATP lớn để phá vỡ liên kết ba lần của phân tử nito. Cân bằng năng lượng và điện tử được duy trì thông qua chu trình trao đổi electron giữa bacteroid và tế bào chủ.

Mô tả phản ứng chính: $N_2 + 8H^+ + 8e^- + 16ATP \rightarrow 2NH_3 + H_2 + 16ADP + 16P_i$

Tế bào chủ cung cấp carbohydrate – sản phẩm quang hợp – dưới dạng sucrose hoặc malate để nuôi bacteroid sản xuất ATP. NH₃ sinh ra sau đó được enzyme glutamine synthetase trong tế bào chủ chuyển hóa thành glutamine và asparagine để vận chuyển đến các phần khác của cây. Hệ thống mạch phloem và xylem đảm bảo cung cấp đồng thời chất dinh dưỡng cho vi khuẩn và cây chủ.

• Carbohydrate từ phloem cung cấp năng lượng và electron cho nitrogenase.
• Enzyme glutamine synthetase tổng hợp amino acid từ NH₃.
• Sản phẩm amino acid được vận chuyển đến lá để tổng hợp protein.

Các loại nốt rễ

Có hai dạng nốt rễ chính dựa trên khả năng tăng trưởng và cấu trúc mô học: nốt determinate và nốt indeterminate. Nốt determinate thường gặp ở các cây như đậu ván (Phaseolus spp.), có kích thước đồng nhất và không tiếp tục tăng trưởng sau khi hình thành. Nốt indeterminate xuất hiện ở các loài như đậu tương (Glycine max), với khả năng mở rộng liên tục, tạo ra phân tầng mô mới ở vùng đầu nốt.

Nốt determinate có thời gian tồn tại ngắn hơn, thường 4–6 tuần, sau đó thoái hoá, trong khi nốt indeterminate tồn tại lâu hơn, duy trì hoạt động cố định đạm trong suốt mùa sinh trưởng. Sự khác biệt này liên quan đến sự hiện diện của tầng sinh mô (meristem) ở đỉnh nốt indeterminate, cho phép phân chia tế bào liên tục.

• Nốt determinate: cấu trúc đồng nhất, không có meristem, thích hợp cho cây thân thảo sinh trường ngắn.
• Nốt indeterminate: có meristem, phân tầng mô rõ rệt, phù hợp cây thân leo hoặc thân gỗ nhỏ, sinh trưởng nhiều năm.

Tương tác vi sinh vật và cây chủ

Mối quan hệ cộng sinh giữa cây họ Đậu và vi khuẩn cố định đạm mang tính đặc hiệu loài: mỗi loài cây tương tác hiệu quả nhất với một hoặc một nhóm chủng Rhizobium/Bradyrhizobium. Sự tương tác bắt đầu từ trao đổi tín hiệu flavonoid–Nod factor và được điều hòa bởi cơ chế miễn dịch trò chơi đôi (dual immune regulation) để tránh phản ứng bảo vệ quá mức của cây chủ (Springer).

Cây chủ biểu hiện gene R (receptor) nhận diện Nod factor của vi khuẩn, kích hoạt con đường tín hiệu dẫn đến hiện tượng tơ vi sinh (infection thread). Concurrently, cây điều chỉnh biểu hiện các gene phòng thủ (pathogenesis-related genes) để không loại bỏ hoàn toàn vi khuẩn cộng sinh. Sự cân bằng này là chìa khóa cho mối quan hệ thành công và hiệu quả cố định đạm cao.

• Flavonoid từ rễ thu hút và kích hoạt gene nod ở vi khuẩn.
• Nod factor evades miễn dịch bằng cách modulate tín hiệu tế bào thực vật.
• Gene CRK và NLR trong cây điều hòa phản ứng phòng thủ.

Ứng dụng trong nông nghiệp

Sử dụng phân vi sinh chứa chủng rhizobia phù hợp có thể cải thiện năng suất cây họ Đậu lên 20–30% so với gieo trồng không bón vi sinh (FAO). Bón bổ sung vi khuẩn cố định đạm đặc chủng giúp giảm nhu cầu phân đạm vô cơ, tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

Luân canh cây họ Đậu với ngũ cốc như lúa, ngô giúp tái tạo lượng đạm trong đất, giảm tỷ lệ sâu bệnh hại và cải thiện cấu trúc đất. Mô hình này đã được áp dụng ở nhiều vùng sản xuất nông nghiệp lớn như Trung Tây Hoa Kỳ và các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam.

• Giảm phân đạm hóa học đến 40% nhờ cố định đạm tự nhiên.
• Tăng độ phì đất, giảm xói mòn và rửa trôi dinh dưỡng.
• Ứng dụng vào mô hình hữu cơ và nông nghiệp bền vững.

Phương pháp nghiên cứu nốt rễ

Phân tích mô học sử dụng lát cắt mỏng nhuộm safranin-fast green và quan sát dưới kính hiển vi sáng cho phép xác định cấu trúc mô và phân bố bacteroid. Kỹ thuật nhuộm kháng thể kết hợp với huỳnh quang (immunofluorescence) giúp theo dõi biểu hiện protein nitrogenase in situ.

Phân tích phân tử bao gồm RT-qPCR để định lượng biểu hiện gene nod, nif và các gene điều hòa nội bào auxin/cytokinin trong các giai đoạn phát triển nốt, đồng thời sử dụng transcriptomics (RNA-seq) để xác định mạng lưới điều hòa gene toàn bộ. Vi hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và quét (SEM) cung cấp hình ảnh siêu cấu trúc của bacteroid và infection thread.

• RT-qPCR và RNA-seq để phân tích biểu hiện gene.
• Immunofluorescence để định vị protein nitrogenase.
• TEM/SEM quan sát cấu trúc siêu nhỏ.

Yếu tố ảnh hưởng đến hình thành nốt

Độ pH đất tối ưu cho hoạt động rhizobia là 6,0–7,0; pH thấp dưới 5,5 hoặc cao trên 8,0 làm giảm khả năng cố định đạm. Độ ẩm đất từ 60–80% độ ẩm tối đa giữ nước của đất cung cấp môi trường thuận lợi cho di động vi khuẩn và phản ứng flavonoid.

Nhiệt độ trung bình 25–30 °C hỗ trợ phát triển vi khuẩn và ổn định infection thread; nhiệt độ trên 35 °C hoặc dưới 15 °C làm suy giảm hoạt tính nitrogenase. Ngoài ra, hàm lượng oxy trong nốt cần được kiểm soát bởi leghemoglobin để duy trì môi trường vi hiếm oxy, đảm bảo enzyme nitrogenase không bị bất hoạt.