Trình tự DNA trong phân trùn quế: số 23 cùng tôi vì phân trùn quế
Ngày càng có nhiều thử nghiệm thực địa chứng minh tác dụng của phân trùn quế đối với sự phát triển, năng suất và khả năng ức chế sâu bệnh và mầm bệnh của cây trồng.
Điều mà các thử nghiệm thực địa đó không thể làm được là giải thích chính xác lý do tại sao phân trùn quế có thể tạo ra kết quả khả quan như vậy so với các loại phân trộn khác.
Công việc do Tiến sĩ Zack Jones của Dự án Vermi-Microbiome bắt đầu có thể giúp ích rất nhiều trong việc cung cấp cho các nhà sản xuất phân trùn quế và người sử dụng sản phẩm này câu trả lời xác đáng cho những câu hỏi này.
Tôi đã gặp Zack vào năm 2019 tại Hội nghị Nuôi trùn quế Bang NC ở Raleigh, NC, nơi anh ấy thuyết trình về một dự án nhỏ sắp tới nhằm giải bài toán về trình tự DNA có trong phân trùn quế.
Zack là một anh chàng khác: trẻ, cực kỳ thông minh và tò mò một cách kỳ lạ về DNA của đất, đặc biệt là phân giun.
Khi bạn đọc bài viết này, có thể bạn sẽ có suy nghĩ giống như tôi khi nghe Zack trình bày về chủ đề này:
Điều quái quỷ gì có thể thúc đẩy ai đó thực hiện một nghiên cứu như thế này?
Những kiến thức khám phá được thậm chí chưa từng được biết đến?
Nghiên cứu này có thể có ứng dụng gì trong việc sử dụng phân trùn quế?
Chủ đề này có thể hơi khó hiểu. Nhưng nó sẽ trở nên dễ hiểu hơn khi bạn xem xét điều đó…..
đất là một hệ sinh thái
hệ sinh thái đó có sự sống
protein là nền tảng của sự sống
tất cả các protein xuất hiện tự nhiên đều được tạo thành từ những định hướng duy nhất được lưu trữ trong DNA
Điều mà Zack đang cố gắng trả lời là “chúng ta có thể tìm hiểu được gì về phân trùn quế từ DNA của nó?”
Tôi có thể nói với bạn rằng nếu anh ấy chỉ giải trình tự DNA từ một mẫu thì câu trả lời là: Không nhiều.
Nhưng 100 mẫu? ĐƯỢC RỒI. 1000 mẫu? Tốt hơn. 10.000 mẫu? Bây giờ chúng tôi đang nấu ăn bằng gas.
Hiện tại, Zack không có 10.000 mẫu. Nhưng nếu các khoản tài trợ để mở rộng nghiên cứu hấp dẫn này được chấp thuận, anh ấy sẽ cần chúng.
Và đó là nơi bạn bước vào! Cuối cùng sẽ nói thêm về điều đó, nhưng bây giờ, hãy thưởng thức phần Hỏi đáp này với Tiến sĩ Zack Jones!
UWC: Bạn có thể cung cấp cho chúng tôi phiên bản Reader's Digest của nghiên cứu của bạn và những gì bạn hy vọng học được từ nó không?
Dự án Vermi-Microbiome đặt ra mục tiêu đưa trình tự DNA và hệ sinh thái vi sinh vật vào phân trùn quế. Đây là một dự án nghiên cứu và giáo dục bắt đầu tại Hội nghị Nuôi trồng trùn quế Bang NC 2019 và được tài trợ bởi WSARE , viết tắt của Tổ chức Giáo dục, Nghiên cứu & Nông nghiệp Bền vững Phương Tây.
Không giống như hầu hết các chất cải tạo đất, giá trị của phân trùn quế được cho là chủ yếu nằm ở quần thể vi sinh vật sống trong hỗ hợp phân trùn. Bởi vì phân hữu cơ rất đa dạng về mặt sinh học và luôn thay đổi nên hầu hết đều nghĩ rằng việc cố gắng áp dụng trình tự DNA sẽ quá phức tạp hoặc không mang lại lợi ích gì. Về cơ bản sẽ có quá nhiều nhiễu trong dữ liệu. Với dự án này, chúng tôi chủ yếu chỉ muốn xem liệu chúng tôi có thể hợp tác với các nhà sản xuất phân trùn quế hay không để xem liệu chúng tôi có thể làm cho nó trở nên hữu ích và có giá trị cao hơn nhiều thông qua phương pháp tiếp cận dựa trên khoa học cộng đồng hay không.
Chúng tôi không chỉ thu thập mẫu DNA.
Chúng tôi cũng đã gửi mọi mẫu để phân tích phân trộn truyền thống. Mỗi người tham gia cũng điền vào một bảng câu hỏi để chúng tôi có thể cố gắng hiểu các nguyên liệu thô hoặc phương pháp ủ phân trùn quế khác nhau có thể ảnh hưởng như thế nào đến cộng đồng vi sinh vật. Chúng tôi cần tất cả thông tin bổ sung này để sử dụng làm bộ lọc nhằm giúp diễn giải dữ liệu giải trình tự DNA vì quần thể vi sinh vật rất phức tạp.
Cuối cùng, chúng tôi muốn xem liệu chúng tôi có thể sử dụng thông tin và dữ liệu đã thu thập để cho phép các nhà sản xuất phân trùn quế đưa ra quyết định quản lý tốt hơn hoặc tiếp thị sản phẩm của họ theo những cách mới hay không.
UWC: Bạn đã thu thập được bao nhiêu mẫu? Và bạn có cảm thấy chỉ cần học những gì bạn cần là đủ không?
Cuối cùng, chúng tôi đã thu thập được khoảng 225 mẫu từ 25 nhà sản xuất phân trùn quế khác nhau ở Mỹ và Canada. Khoảng một nửa số mẫu đó là mẫu phân trùn quế, còn lại là trà trùn, phân hữu cơ, phân chuồng và một số ít đất. Tôi nghĩ rằng chúng tôi đã thu thập đủ mẫu để tìm hiểu một số điều, nêu bật nhu cầu nghiên cứu trong tương lai và quan trọng nhất là chứng minh rằng công nghệ này có thể hữu ích. Chúng tôi đã mất dữ liệu cho một số mẫu trong quá trình thực hiện nên chúng tôi có thể không đạt được một số mục tiêu. Chúng tôi luôn có thể sử dụng nhiều mẫu hơn, nhưng tôi bị choáng ngợp bởi số lượng người tham gia và sự hỗ trợ cho dự án.
UWC: Có khó khăn gì khi thực hiện nó?
Có cảm giác như dự án này đã chứa đầy những trở ngại ngay từ khi nó bắt đầu. Tôi phát hiện ra rằng dự án đã được tài trợ vào cùng tuần đứa con đầu lòng của tôi chào đời, cũng trùng với đợt bùng phát COVID đầu tiên vào tháng 3 năm 2020. Trong khi đứa trẻ được mong đợi, COVID đã tước đi quyền tiếp cận phòng thí nghiệm theo kế hoạch trong toàn bộ thời gian nghiên cứu. Tôi không thể thực hiện một số thử nghiệm sơ bộ trước khi thu thập mẫu nên chúng tôi phải làm theo. Điều này dẫn đến một số vấn đề ở khâu vận chuyển và trích xuất DNA.
Nhìn chung, chúng tôi phải sáng tạo để chuẩn bị sẵn sàng các mẫu cho giải trình tự kể từ khi các trường đại học đóng cửa. Trên hết, công cụ giải trình tự mà chúng tôi định sử dụng đã bị hỏng nên chúng tôi cũng phải tìm một giải pháp thay thế cho công cụ đó. Cuối cùng chúng tôi đã gỡ bỏ được nó, nhưng tôi phải trả giá bằng vài sợi tóc bạc!
UWC: Sau khi nhận được kết quả, điều gì khiến bạn ngạc nhiên? Bạn có học được điều gì mà bạn không lường trước được không?
Chúng tôi vẫn đang trong quá trình khám phá tất cả dữ liệu nhưng chúng tôi đã có một số điều ngạc nhiên thú vị. Phân tích ban đầu cho thấy phân trùn quế có thể khác nhau như thế nào. Ví dụ, phạm vi pH của các mẫu phân trùn quế của chúng tôi là từ 4,7 đến 8,1. Nguyên liệu làm phân trùn quế cũng đa dạng hơn tôi tưởng tượng. Khoảng một nửa số nhà sản xuất sử dụng ít nhất 20% phân chuồng trong khi một nửa sử dụng ít hoặc không sử dụng phân chuồng nên chúng tôi có rất nhiều loại thức ăn khác nhau cho giun.
Cho đến nay, phát hiện thú vị nhất của chúng tôi là từ phân tích hệ vi sinh vật cốt lõi để xem vi khuẩn nào phổ biến nhất trong số tất cả các mẫu phân trùn quế. Chúng tôi phát hiện thấy một nhóm nhỏ vi sinh vật được tìm thấy trong hầu hết các mẫu phân trùn quế. Các sinh vật phổ biến nhất được tìm thấy với mức độ phong phú cao nhất là từ chi Chryseolinea. Các loài thuộc chi này đã được phân lập và chứng minh là chất kích thích tăng trưởng thực vật. Một loài thậm chí đã được cấp bằng sáng chế ở Hàn Quốc để thúc đẩy sự phát triển của bắp cải . Một nghiên cứu gần đây với cà chua cho thấy chúng là sinh vật xác định hệ vi sinh vật rễ của cây được xử lý bằng phân trùn quế. Trong nghiên cứu này, cà chua được cải tạo bằng phân trùn quế hoạt động tốt như cà chua được thụ tinh tổng hợp, gợi ý rằng loại sinh vật này một phần có thể là nguyên nhân.
Một nghiên cứu khác cho thấy chúng có thể chịu trách nhiệm ngăn chặn bệnh cây.
Thật đáng ngạc nhiên khi tìm thấy nhiều thông tin về sinh vật phổ biến số 1 trong phân trùn quế. Ngược lại, sinh vật phổ biến thứ hai được tìm thấy là từ dòng Pir_4 mà chúng ta hầu như không biết gì về nó. Vấn đề này khá phổ biến vì hầu hết vi khuẩn và nấm chưa được nghiên cứu kỹ, nhưng điều đó không có nghĩa là những sinh vật này không quan trọng.
Chi Devoisa cũng là chi phổ biến thứ 5 được tìm thấy và có các thành viên được biết đến là chất kích thích tăng trưởng thực vật.
Nhìn chung, tôi nghĩ chúng ta đã bắt đầu giải thích được tại sao phân trùn quế, bất kể được làm bằng cách nào, đều có xu hướng thực sự có lợi cho cây trồng. Tôi cũng phải dành nhiều lời khen ngợi cho Tiến sĩ Gary Vanzin, người đang thực hiện phân tích này. Anh ấy có thể thực hiện một số công việc thực sự ở cấp độ tiếp theo để tìm ra tín hiệu trong một mớ hỗn độn thông tin.
UWC: Bạn có biết Chryseolinea có phổ biến trong các loại phân trộn hoặc chất cải tạo đất khác không?
Tôi không thực sự chắc chắn.
Đây vẫn là một phát hiện khá mới nên tôi vẫn đang cố gắng tìm hiểu tài liệu. Nhưng chúng đã được tìm thấy trong các loại phân trộn khác. Một nghiên cứu gần đây vào năm 2021 xem xét quá trình ủ phân từ hạt chưng cất đã xác định chúng là một chỉ báo về độ ngấu của phân trộn. Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi cũng tìm thấy chúng trong các mẫu phân nên chúng không phải là duy nhất của phân trùn quế.
Nhưng phân trùn quế sẽ chọn lọc chúng.
UWC: Rõ ràng, phân trùn quế không tuân theo một dòng dõi cố định như bạn có thể có với dữ liệu của 23 và Tôi hoặc Ancestry.com. Nhưng chắc chắn phải có một số điểm tương đồng có thể cho bạn biết, chẳng hạn như "Ồ đúng rồi, cái này trông giống như phân trùn quế thải thực phẩm."
Đúng vậy, nó hơi khác so với xét nghiệm di truyền ở người nhưng phương pháp cơ bản thì tương tự.
Thay vì sử dụng bộ gen của con người, chúng tôi đang giải trình tự gen ở mọi loại sinh vật để xác định ai tạo nên cộng đồng vi sinh vật. Chúng tôi có thể không biết họ đang làm gì, nhưng cộng đồng này có thể là một loại “dấu vân tay” có khả năng được sử dụng để xác định những mẫu khác, chẳng hạn như liệu nó có được làm bằng chất thải thực phẩm hay không. Tôi cũng có thể đảo ngược phân tích này và cố gắng chọn một số sinh vật nhất định với các loại phân trộn hoặc phương pháp ủ phân khác nhau. Đây là loại “chén thánh” của phân tích hệ vi sinh vật và thành thật mà nói, tôi không nghĩ chúng ta sẽ đạt được mục tiêu chỉ với nghiên cứu này.
Chúng tôi vẫn đang nghiên cứu xem liệu chúng tôi có thể hiểu được những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến cộng đồng vi sinh vật trong phân trùn quế hay không, nhưng có quá nhiều biến số.
Chúng tôi thực sự cần rất nhiều mẫu để hướng tới phương pháp này nhưng tôi nghĩ điều đó là có thể.
UWC: Bạn đã phân tích nhiều hơn phân trùn quế. Bạn đã học được gì về phân trùn quế so với phân trộn thông thường, phân động vật và bokashi?
Lần đầu tiên tôi bắt đầu làm phân trùn quế vào khoảng năm 2014 khi tôi gặp một nhà sản xuất phân trùn quế & bokashi ở thành thị ở Denver. Tôi đã bỏ một số mẫu bokashi, phân trùn quế và phân bón của anh ấy để sắp xếp trình tự với các mẫu khác của tôi cho trường học sau đại học. Tôi thực sự choáng váng trước sự thiếu đa dạng sinh học ở Bokashi.
Vào thời điểm đó, người ta cho rằng nó là một hỗn hợp tuyệt vời của các vi sinh vật có tác dụng hiệp đồng, nhưng thực ra nó chỉ là lactobacillus , sinh vật làm sữa chua tiêu chuẩn của bạn.
Mặt khác, mẫu phân trùn quế là mẫu đa dạng nhất mà tôi từng thấy. Tôi cảm thấy như còn rất nhiều việc phải làm, điều đó thực sự thú vị hơn công việc tốt nghiệp của tôi và điều gì đã dẫn đến việc bắt đầu dự án này.
Đối với nghiên cứu này, tôi hy vọng cung cấp một số nghiên cứu tổng quát về phân trùn quế và so sánh nó với các mẫu khác như đất, phân hữu cơ, thử và theo dõi sự thay đổi đa dạng trong toàn bộ quá trình từ phân bón đến phân trùn quế. Nếu tôi nói với bạn phân trùn quế có chỉ số đa dạng là 5 thì điều đó khá vô nghĩa. Nhưng nếu cát có chỉ số đa dạng là 1, đất nghèo 2, đất 3, đất khỏe 4 và phân trùn quế 5 thì nó bắt đầu có ý nghĩa hơn.
Chúng tôi thực sự đã tìm thấy sự đa dạng sinh học khá rộng giữa tất cả các loại phân trùn quế. Tôi có thể nói rằng hầu hết đều tương đối cao và một số thấp đến mức đáng ngạc nhiên. Nhìn chung, tôi có thể nói rằng sự đa dạng sinh học đã tăng lên từ phân chuồng sang phân ủ sẵn rồi đến phân trùn quế nhưng không nhiều như tôi mong đợi.
Chúng tôi vẫn đang xem xét những yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến sự đa dạng tổng thể.
Tôi nên có thêm một số thông tin về điều đó sớm.