Các nhà khoa học phát hiện nhiều loại vi khuẩn sống trong lớp đất ở sa mạc Atacama, nơi khô cằn nhất trên thế giới.
* Sa mạc Atacama - Hoả tinh trên trái đất
Phát hiện sự sống có ở nơi khô cằn nhất Trái Đất
Nằm ở phía bắc Chile, sa mạc Atacama có khung cảnh hoang sơ với các dãy núi và đụn muối khô khốc, được ví như sao Hỏa trên Trái Đất. Trên sa mạc Atacama, María Elena South là vùng khắc nghiệt và khô cằn đến mức các nhà khoa học từng tin rằng sự sống không thể tồn tại.
Tuy nhiên, một nhóm nghiên cứu Chile đã phát hiện nhiều loại vi khuẩn sống trong lớp đất tại đây và một số vùng khác thuộc sa mạc này. "Chúng tôi thực sự bất ngờ khi tìm thấy vi khuẩn ở đây. Sau khám phá trên, chúng tôi không chắc liệu còn có giới hạn nào về độ ẩm cho sự sống trên Trái Đất hay không", tiến sĩ Armando Azua-Bustos tại Viện Khoa học Blue Marble Space nhận xét.
Để xác định thành phần vi khuẩn ở môi trường khắc nghiệt của sa mạc, các chuyên gia phân tích ADN lấy từ mẫu đất. Áp dụng kỹ thuật điện di gel gradient biến tính [DGGE] phân tích cộng đồng vi sinh vật, họ nhận thấy sự đa dạng của các vi khuẩn, trong đó chủ yếu là nhóm Actinobacteria, Proteobacteria, Firmicutes và Acido.
Theo Huffington Post, nhiệt độ và độ ẩm tương đối của mẫu đất và bầu khí quyển ở Atacama dược đo bằng cảm biến siêu nhỏ. Kết quả khẳng định sa mạc Atacama thực sự là nơi khô nhất Trái Đất. Độ ẩm tương đối của đất ở độ sâu một mét tại María Elena South chỉ ở mức 14%, tương đương độ ẩm thấp nhất NASA đo được ở lòng chảo Gale Crater trên hành tinh đỏ.
Một tấm thảm vi sinh vật là một mảng vi sinh vật nhiều lớp, chủ yếu là vi khuẩn và vi khuẩn cổ. Thảm vi sinh vật phát triển tại các giao diện giữa các loại vật liệu khác nhau, chủ yếu là trên bề mặt ngập nước hoặc ẩm ướt, nhưng một số ít tồn tại trong sa mạc. Chúng xâm chiếm các môi trường có nhiệt độ khác nhau, từ -40 °C đến 120 °C. Một số ít được tìm thấy là nội cộng sinh của động vật.
Mặc dù chúng dày nhất vài cm, thảm vi sinh vật tạo ra một loạt các môi trường hóa học bên trong và do đó thường bao gồm các lớp vi sinh vật có thể nuôi dưỡng hoặc ít nhất là chịu đựng các hóa chất thống trị ở cấp độ của chúng và thường là các loài có liên quan chặt chẽ với nhau. Trong điều kiện ẩm ướt, thảm thường được giữ với nhau bởi các chất nhầy nhụa do vi sinh vật tiết ra, và trong nhiều trường hợp, một số vi sinh vật hình thành mạng lưới dây tóc rối quấn lấy nhau làm cho thảm cứng hơn. Các dạng vật lý được biết đến nhiều nhất là thảm phẳng và các cột cứng gọi là stromatolit, nhưng cũng có các dạng hình cầu.
Thảm vi sinh vật là dạng sống sớm nhất trên Trái Đất có bằng chứng hóa thạch tốt, từ 3.500 triệu năm trước, và là thành viên quan trọng nhất và là sinh vật duy trì hệ sinh thái của hành tinh.
Vi khuẩn sa mạc nội sinh rễ có lợi Pseudomonas argentinensis sp. SA190 tăng cường khả năng chịu hạn ở cây Arabidopsis bằng cách mồi các promoter gen mục tiêu theo phương thức phụ thuộc vào ABA biểu sinh. Nguồn: EMBO reports [2023]. DOI: 10.15252/embr.202256754.
Tạo mồi cho cây trồng bằng một loại vi khuẩn có nguồn gốc từ rễ cây sa mạc có thể được dùng như một loại công cụ mạnh mẽ để tăng cường khả năng phục hồi hạn hán của cây trồng.
Sự nảy mầm của cây Arabidopsis [cải xoong] và cỏ đinh lăng được thực hiện bằng một loại vi khuẩn lấy từ rễ của một loại cây sa mạc phổ biến đã được chứng minh là giúp chúng phát triển mạnh trong điều kiện hạn hán.
Heribert Hirt từ KAUST là người từng làm việc trong dự án này với các đồng nghiệp đến từ Đức và khắp Ả Rập Saudi bao gồm cả Khairiah Alwutayd - Phó giáo sư từ Đại học Princess Nourah bint Abdulrahman cho biết: “Giảm thiểu tác động của hạn hán đối với cây trồng là mục tiêu cấp bách đối với những người làm việc trong lĩnh vực công nghệ sinh học nông nghiệp như chúng tôi”.
Hirt phát biểu: “Sáng kiến sa mạc DARWIN21 đã được đưa ra từ 10 năm trước tại KAUST để phân lập và phân tích vi khuẩn sa mạc. Chúng tôi hy vọng rằng chúng có thể truyền đạt những đặc điểm tương tự cho cây trồng giống như chúng làm cho cây sa mạc, giúp chúng chịu nhiệt, chịu mặn và/hoặc chịu hạn. Điều này có thể góp phần to lớn vào an ninh lương thực toàn cầu”.
Là một phần của chương trình DARWIN21, Hirt và nhóm của ông đã phân lập được hơn 10.000 chủng vi sinh vật sa mạc từ đất sa mạc và rễ cây sa mạc. Họ đã sàng lọc hàng trăm chủng này và cho cây Arabidopsis nảy mầm với từng chủng khác nhau để tìm kiếm những chủng giúp tăng cường đáng kể khả năng chịu hạn của cây.
Đối với nghiên cứu cụ thể này được công bố trên các báo cáo inEMBO và nhằm mục đích khám phá các cơ chế phân tử đằng sau khả năng phục hồi hạn hán được tăng cường, các nhà nghiên cứu đã chọn một dòng vi khuẩn từ chủng Pseudomonas argentinensis có tên là SA190. SA190 bắt nguồn từ các nốt sần ở rễ của cây chàm [Indigofera argentea] là một loại cây mọc thành bụi nhỏ được tìm thấy ở sa mạc và vùng cây bụi khô từ sa mạc Sahara đến Ấn Độ.
Alwutayd cho biết: “Bởi vì chúng tôi biết rất nhiều về Arabidopsis – nó là cây mô hình di truyền trong sinh học thực vật – chúng tôi có thể phân tích chính xác các cơ chế phân tử và những thay đổi mà SA190 đã kích hoạt trong cây để đối phó với hạn hán”.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng SA190 sửa đổi trạng thái biểu sinh của các gen gây căng thẳng hạn hán quan trọng. Những gen này không được biểu hiện trong điều kiện phát triển tốt nhưng được biểu hiện mạnh mẽ khi cây đối mặt với hạn hán.
Alwutayd lưu ý rằng: “SA190 tăng cường các gen này chỉ khi cần thiết, nghĩa là năng suất cây trồng không bị ảnh hưởng, đây có thể là tác động phụ đáng tiếc cho những nỗ lực giảm thiểu hạn hán. SA190 đã thay đổi tích cực cấu trúc rễ cây trồng và do đó nâng cao hiệu quả sử dụng nước của cây trồng”.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã mồi cỏ đinh lăng bằng SA190 và những cây này cho thấy khả năng phục hồi hạn hán được cải thiện đáng kể so với cây đối chứng.
Hirt cho biết: “Chỉ cần được phủ vi khuẩn, SA190 có thể dễ dàng được tăng sinh khối với số lượng lớn trong các thiết bị lên men và trong hạt của cây trồng. Sau khi hạt giống được rải ra đồng ruộng, SA190 sẽ liên kết trực tiếp với cây con, do đó tránh được sự cạnh tranh với các vi sinh vật đất khác. Đây có thể được xem như một công cụ rất hữu hiệu giúp cây trồng chống lại hạn hán”.