Hệ vi sinh vật vùng rễ cây chè điều hòa cân bằng nội môi nitơ và tổng hợp theanine để ảnh hưởng đến chất lượng trà

Theo Xin, W., Zhang, J., Yu, Y., Tian, Y., Li, H., Chen, X., Li, W., Liu, Y., Lu, T., He, B., Xiong, Y., Yang, Z., Xu, T., & Tang, W. (2024). Root microbiota of tea plants regulate nitrogen homeostasis and theanine synthesis to influence tea quality. Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.01.044 

Ngày đăng: 21/2/2024

Vui lòng ghi rõ nguồn https://cnsh.vnua.edu.vn/ khi đăng lại nội dung này

Chuyển hóa nitơ tạo thành một quá trình sinh lý cơ bản ở thực vật và đóng một vai trò quan trọng trong việc chúng tham gia vào chu trình địa hóa. Vi sinh vật làm thay đổi trạng thái oxy hóa của nitơ đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ nitơ ở thực vật. Trong đất giàu oxy, thực vật chủ yếu hấp thụ nitơ ở dạng NO₃^-. Tuy nhiên, cây chè, một loại cây trồng có tầm quan trọng về mặt kinh tế, lại có con đường chuyển hóa nitơ khác biệt so với các loại cây trồng khác. Nó thể hiện tính kháng với amoniac và thể hiện sự hấp thụ ưu tiên đối với nitơ amoniac. Việc sử dụng nguồn cung cấp nitơ amoniac duy nhất sẽ kích hoạt quá trình hô hấp quang học ở cây chè, dẫn đến sự chuyển đổi nhanh chóng nitơ amoniac thành theanine, proline và glutamine.

Theanine, một loại axit amin không chứa protein có trong lá chè, được tổng hợp chủ yếu ở rễ cây chè. Hàm lượng theanine đóng vai trò là yếu tố quyết định quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng trà. Các loại trà khác nhau thể hiện hàm lượng theanine riêng biệt, từ đó hình thành nên hương vị tinh tế của trà. L-theanine được tổng hợp trong rễ chè và sau đó được vận chuyển đến chồi non, được thu hoạch để sản xuất trà. Chất lượng chè không chỉ phụ thuộc vào giống chè được đặc trưng bởi nồng độ chất chuyển hóa khác nhau, nó cũng liên quan chặt chẽ đến kết cấu đất, thành phần dinh dưỡng của đất và sự hiện diện của vi sinh vật đất. Ở đây, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra mối liên quan giữa thành phần vi sinh vật rễ và quá trình chuyển hóa nitơ ở cây chè. Bằng cách sử dụng một cộng đồng vi sinh vật tổng hợp (SynCom) bao gồm các vi sinh vật được phân lập từ rễ của các giống cây có hàm lượng theanine cao, bắt chước hệ vi sinh vật ở rễ trong mùa thu, nhóm đã quan sát thấy sự thúc đẩy đáng kể trong quá trình tổng hợp theanine ở cây chè. Những phát hiện này mở ra một con đường tiềm năng để tăng cường hấp thu chất dinh dưỡng và hàm lượng theanine trong cây chè thông qua việc sử dụng các vi sinh vật liên quan đến thực vật.

Sau khi kiểm tra hàm lượng theanine trong 17 giống chè được thu thập mẫu rễ và lá trong hai mùa xuân và thu, nhóm nghiên cứu đã đưa ra so sánh trong sơ đồ dưới đây

Hình 1. Hàm lượng theanine trong rễ và lá của 17 giống chè trong mùa xuân và mùa thu. Các chữ viết tắt được sử dụng như sau: RG, Rougui; DHP, Dahongpao; FJSX, Phúc Kiến Shuixian; BJG, Baijiguan; ZC302, Zhongcha302; BY, Biyun; ZMG, Zimeigui; AJBC, Anjibaicha; LJ43, Longjing43; FS, Phật Thọ; ZHDB, Zhenghedabai; JBH, Jianbohuang; NJ1, Nam Giang1hao; YK10, Yunkang10hao; TGY, Thiết Quan Âm; MX, Maoxie; SCZ, Shuchazao. Phân tích dựa trên giá trị trung bình chuẩn hóa từ ba lần lặp lại cho mỗi giống. Chữ ''a'' biểu thị cho mùa thu và chữ ''s'' biểu thị cho mùa xuân. Dữ liệu là mức theanine trung bình từ ba lần lặp lại

Để phân tích sâu hơn, nhóm nghiên cứu đã chọn RG là giống chè có hàm lượng theanine cao và MX là giống chè có hàm lượng theanine thấp. Cả RG và MX đều là những giống trà ô long nổi tiếng, được đặc trưng bởi nhân bản vô tính và trồng thành bụi lần lượt ở Thành phố núi Wuyi và Thành phố Anxi thuộc tỉnh Phúc Kiến của Trung Quốc.

Nghiên cứu tác động tiềm ẩn của các vi sinh vật xung quanh rễ trà đến chất lượng trà—đặc biệt là hàm lượng theanine—nhóm tác giả đã thu thập các mẫu rễ và rễ từ cây trà RG và MX được trồng trong cùng một nguồn mầm phôi trà theo các phương pháp canh tác nhất quán trong mùa thu, khi quá trình tổng hợp theanine diễn ra được cho là ở mức độ cao.

Thông qua giải trình tự 16S rRNA, thấy rằng số lượng tổng đơn vị phân loại hoạt động (OTU) và OTU cụ thể trong rễ và vùng rễ của RG cao hơn so với trong MX, cho thấy tính đa dạng của vi khuẩn trong RG cao hơn trong MX. Đáng chú ý, có nhiều sự khác biệt về sự phong phú của các loài vi sinh vật giữa rễ của RG và MX, trong khi không có sự khác biệt rõ ràng nào được quan sát thấy ở đất vùng rễ của hai giống chè.

Mùa xuân là mùa theanine được vận chuyển từ rễ đến chồi mới, quần thể vi sinh vật trong rễ của RG và MX tương đương nhau. Điều thú vị là các vi sinh vật liên quan đến chuyển hóa nitơ cho thấy mức độ phong phú giảm đi. Tuy nhiên, vào mùa thu, quá trình khử nitrat, hô hấp nitơ, nitrat hóa và các quá trình chuyển hóa nitơ khác ở rễ RG vẫn hoạt động mạnh hơn so với rễ MX.

Bằng việc sử dụng các marker đặc hiệu cho các gen liên quan đến quá trình chuyển hoá nito ở rễ của giống RG và MX, nhóm nghiên cứu rút ra được kết luận rằng sự phong phú của các vi sinh vật tổng hợp amoniac ở rễ RG cao hơn ở rễ MX. Sự đa dạng của vi sinh vật tham gia vào quá trình tổng hợp nitơ nitrat cũng cho thấy một số khác biệt giữa rễ RG và rễ MX vào mùa thu.

Vào mùa xuân, sự khác biệt về số lượng vi sinh vật liên quan đến quá trình tổng hợp amoniac giữa rễ RG và MX ít rõ rệt hơn so với mùa thu. Rễ RG thể hiện sự đa dạng cao hơn của các vi sinh vật tham gia tổng hợp amoniac so với rễ MX. Những phát hiện này cho thấy rằng các vi sinh vật có trong rễ RG trong mùa thu có thể là yếu tố góp phần chính khiến hàm lượng theanine cao hơn được quan sát thấy ở RG.

Thêm vào đó nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, vào mùa thu, rễ RG tích lũy nhiều nitơ amoni hơn nhưng ít nitơ nitrat hơn so với rễ MX. Dựa trên một số thí nghiệm phân tích nhóm suy luận rằng RG thể hiện khả năng hấp thụ amoni mạnh hơn so với MX. Bổ sung cho suy luận, khi kiểm tra 17 giống chè, những giống có hàm lượng theanine cao cũng đồng thời thể hiện mức độ amoni cao hơn những giống còn lại.

Dựa trên cấu trúc cộng đồng vi sinh vật của rễ RG vào mùa thu, một hệ vi sinh vật cộng đồng tổng hợp (SynCom) bao gồm 21 chủng vi khuẩn, đã được tái cấu trúc lại từ nhóm 94 chủng vi sinh vật phân lập và làm thuần từ rễ RG (đã loại bỏ các chủng trùng lặp). Hệ vi sinh vật SynCom bao gồm 12 họ vi sinh vật thuộc hai ngành là Proteobacteria và Actinobacteria, mô phỏng hiệu quả cấu trúc cộng đồng vi sinh vật được quan sát thấy ở rễ RG trong mùa thu.

Tiềm năng của SynCom21 trong việc thúc đẩy sự hấp thu và vận chuyển nitơ trong rễ cây được nghiên cứu bằng cách dùng cây con của ba giống chè đã được sử dụng để đánh giá mối liên hệ đi kèm giữa vi khuẩn- thực vật trong các điều kiện nitơ khác nhau. Kết quả cho thấy lượng amoniac tăng lên đáng kể trong rễ ở cả hai điều kiện và trong lá ở điều kiện bình thường sau khi xử lý bằng SynCom21. Tiếp đó, tác động của SynCom21 lên LJ43, có hàm lượng theanine vừa phải, đã được đánh giá trong cả điều kiện thiếu nitơ và điều kiện bình thường đều được thúc đẩy sau khi xử lý SynCom21. Sự gia tăng đáng kể lượng amoniac cũng được quan sát thấy ở lá trong cả hai điều kiện và ở rễ trong điều kiện bình thường. Tác dụng thúc đẩy của SynCom21 đối với quá trình tổng hợp theanine cũng được quan sát thấy ở TGY. Hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng SynCom21 cũng có thể tăng cường khả năng hấp thụ nitrat ở cây chè, đặc biệt là ở lá MX và LJ43 khi thiếu nitơ.

Hình 2. Tác dụng của SynCom21 đối với sự phát triển của cây chè trong điều kiện hàm lượng nitơ thấp

(A) Sơ đồ minh họa quy trình làm việc được thiết kế để nghiên cứu tác động của SynCom lên quá trình tổng hợp theanine ở cây chè trong điều kiện hàm lượng nitơ thấp (0,5 mM NO3 + 0,5 mM NH4+).

(B) Cây con MX khoảng 1 tuổi được xử lý SynCom21 và khi SynCom21 bị loại bỏ trong điều kiện hàm lượng nitơ thấp. Thanh tỷ lệ, 10 cm.

(C) Nồng độ theanine trong rễ và lá của cây con MX sau 20 ngày xử lý SynCom21 và khi SynCom21 bị loại bỏ

(D) Nồng độ nitơ amoni trong rễ và lá của cây con MX sau 20 ngày xử lý SynCom21 và SynCom21 bị loại bỏ.

(E) LJ43 (Longjing 43) cắt ngọn khoảng nửa năm tuổi theo phương pháp xử lý SynCom21 và SynCom21 bị loại bỏ trong điều kiện hàm lượng nitơ thấp. Thanh tỷ lệ, 10 cm.

(F) Nồng độ theanine trong rễ và lá của LJ43 cắt cây con sau 20 ngày xử lý SynCom21 và SynCom21 bị loại bỏ, được phát hiện bởi UPLC-QqQ MS.

(G) Nồng độ nitơ amoni trong rễ và lá của cây LJ43  cắt ngọn sau 20 ngày xử lý SynCom21 và SynCom21 bị loại bỏ.

Người dịch: Phạm Gia Bảo-K65CNSHE

Tài liệu tham khảo

Xin, W., Zhang, J., Yu, Y., Tian, Y., Li, H., Chen, X., Li, W., Liu, Y., Lu, T., He, B., Xiong, Y., Yang, Z., Xu, T., & Tang, W. (2024). Root microbiota of tea plants regulate nitrogen homeostasis and theanine synthesis to influence tea quality. Current Biology. https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.01.044