Bí ẩn về sự cộng sinh giúp cung cấp năng lượng thu giữ carbon trên biển

Rừng mưa nhiệt đới thường được xem là "lá phổi" của hành tinh chúng ta, hút một lượng lớn khí carbon dioxide từ khí quyển và thải ra khí oxy để trao đổi chất. Tuy nhiên, hóa ra chúng ta còn có những lá phổi lớn hơn trong đại dương.

Đồng cỏ biển là những cánh đồng rộng lớn của thực vật dưới nước có khả năng hấp thụ carbon nhanh hơn 35 lần so với rừng mưa nhiệt đới. Cùng với lãnh nguyên, các hệ sinh thái ven biển này nằm trong số những "bể chứa carbon" lớn nhất thế giới, nhưng chúng ta ít biết về phương pháp tạo ra nguồn nhiên liệu năng suất cao của chúng.

Anh hùng" ẩn giấu" dưới gốc cỏ biển

Một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature ngày 3/11 cho thấy, những đồng cỏ biển này gần như không có khả năng thu giữ carbon mạnh mẽ nếu nó không có một "anh hùng" ẩn giấu trong đó. 

Sống trực tiếp trong rễ của cỏ Neptune (Posidonia oceanica), các nhà nghiên cứu ở Địa Trung Hải đã phát hiện ra một loại vi khuẩn mới, được đặt tên là Celerinatantimonas neptuna, có thể biến khí nitrogen thành một chất dinh dưỡng mà thực vật biển có thể sử dụng để quang hợp.

Điều đó rất giống với cách thực vật trên cạn thu nhận nitrogen, tuy nhiên kiểu quan hệ cộng sinh này chưa từng được tìm thấy giữa các loài thực vật biển trước đây.

Nghiên cứu chỉ tập trung vào một loài cỏ biển cụ thể ở Biển Địa Trung Hải, nhưng vì họ hàng của loài C. neptuna xuất hiện trên toàn thế giới, các tác giả phán đoán các mối quan hệ tương tự cũng có thể xảy ra ở những nơi khác.

Nhà vi sinh vật biển Wiebke Mohr từ Viện Max Planck ở Bremen, Đức giải thích: “Người ta cho rằng cái gọi là nitrogen cố định cho cỏ biển đến từ vi khuẩn sống xung quanh gốc của chúng dưới đáy biển".

"Giờ đây, chúng tôi chứng minh rằng mối quan hệ gần gũi hơn nhiều: Vi khuẩn sống bên trong rễ của cỏ biển. Đây là lần đầu tiên một sự cộng sinh mật thiết như vậy được chứng minh ở cỏ biển", Tiến sĩ Wiebke Mohr cho biết.

Cỏ biển có khả năng tích trữ lượng carbon nhiều hơn tám lần

Các nhà nghiên cứu đã xác định loại vi khuẩn mới này bằng kỹ thuật hiển vi, nơi các loài vi khuẩn khác nhau sống trong và giữa các tế bào gốc được đánh dấu bằng các nhãn màu khác nhau của cỏ biển Neptune.

So với lớp trầm tích cát rải rác xung quanh cỏ biển, các tác giả nhận thấy bản thân cây có khả năng tích trữ lượng carbon dioxide nhiều hơn tám lần. Và điều đó đúng ngay cả khi không phát hiện thấy chất dinh dưỡng nitrogen trong cột nước xung quanh.

Các phát hiện cho thấy một cái gì đó khác đã được cố định khí nitrogen và chuyển đổi nó cho các cây cỏ biển. Khi kiểm tra kỹ hơn, nhóm nghiên cứu nhận thấy hệ vi sinh vật của rễ cây không giống với hệ vi sinh vật của lớp trầm tích xung quanh.

Sự khác biệt dường như được thúc đẩy chủ yếu bởi một loại vi khuẩn duy nhất, mà các tác giả tìm thấy tồn tại trong rễ cỏ biển với số lượng lớn nhất vào mùa hè, khi khí nitrogen khan hiếm nhất. Sau khi thu nhận được, khí nitrogen trong những rễ này dường như sẽ lan truyền nhanh chóng khắp cây.

"Sự trao đổi này rất nhanh chóng, lên đến khoảng 20% nitrogen tươi cố định được tiêu hóa vào sinh khối lá trong vòng 24 giờ", các tác giả viết.

Đổi lại, nhóm nghiên cứu cho rằng, cỏ biển có thể cung cấp đường cho vi khuẩn thường trú của nó - một mối quan hệ cộng sinh mà trước đây chúng ta đã bỏ qua và là một mối quan hệ có thể là cổ xưa.

Cỏ biển được cho là đã tiến hóa khoảng 100 triệu năm trước từ các loài thực vật có hoa tìm đường trở lại biển.

Tổ tiên của cỏ biển có thể từ đất liền

Trong quá trình chuyển đổi này, các tác giả nghi ngờ các vi sinh vật rễ đặc biệt đã được thiết lập để cố định khí nitrogen trên đất liền có thể đã được thay thế bằng một "phiên bản" dưới biển.

Bà Mohr phỏng đoán: “Chúng hầu như sao chép hệ thống đã rất thành công trên đất liền và sau đó, để tồn tại trong môi trường nước biển nghèo dinh dưỡng, chúng đã có được một sinh vật cộng sinh ở biển". 

Nguồn gốc của cỏ biển  C. neptuna thực sự là một vấn đề khác. Các đặc điểm di truyền của nó cho thấy tổ tiên của nó sống ở môi trường ven biển, nơi nó có khả năng kết hợp với rong biển, loài không có rễ.

Mặt khác, họ hàng gần nhất còn sống ngày nay đến từ rễ của cỏ đầm lầy mặn và cỏ biển nhiệt đới, nơi vi khuẩn có thể hình thành mối quan hệ cộng sinh tương tự như với rong biển (mặc dù điều này vẫn chưa được xác nhận).

Các tác giả viết: “Cũng giống như các vi sinh vật cố định khí nitrogen có thể đã hỗ trợ sự xâm chiếm các vùng đất nghèo nitrogen bởi các loài thực vật trên đất liền. Tổ tiên của cỏ biển C. neptuna và các họ hàng của nó có thể đã cho phép thực vật có hoa xâm nhập môi trường sống ở biển nghèo nitrogen, nơi chúng hình thành hệ sinh thái carbon xanh cực kỳ hiệu quả".

Các tác giả đang có kế hoạch nghiên cứu vi khuẩn mới trong rễ cỏ biển trong phòng thí nghiệm để xem quá trình cố định khí nitrogen diễn ra chi tiết hơn như thế nào. Tiến sĩ Mohr rất hào hứng khi xem liệu các loài cỏ biển khác trên thế giới có dựa vào các mối quan hệ tương tự hay không.

Với mức độ quan trọng của các hệ sinh thái cỏ biển trong cuộc khủng hoảng khí hậu hiện tại, đã đến lúc chúng ta cần biết chúng hoạt động như thế nào. Đặc biệt là khi con người đang phá hủy đồng cỏ biển với tốc độ nhanh hơn cả rừng mưa nhiệt đới.