Đôi khi tác nhân gây bệnh hại thực vật cũng ảnh hưởng đến con người - thông qua những cuốn sổ tay bỏ túi của chúng ta. Đó là lý do tại sao nhà nghiên cứu bệnh cây Erica Goss, giáo sư tại Đại học Florida (UF) của Viện Khoa học Nông nghiệp và Thực phẩm, dành nhiều thời gian để nghiên cứu các vi khuẩn gây bệnh cho cà chua, ớt và dâu tây.

Theo Sở Nông nghiệp và Dịch vụ Người tiêu dùng Florida, đây là ba loại cây rau quả có thu nhập cao nhất của bang. Và có rất nhiều vi sinh vật cũng thích chúng giống như chúng ta.

Năm 2019, ngành công nghiệp cà chua Florida đã sản xuất được 39% cà chua tươi cho thị trường Hoa Kỳ, trị giá khoảng 426 triệu USD và ớt tươi của Florida có giá trị 235 triệu USD. Đó là lý do tại sao người nông dân lo lắng về các loại bệnh hại gây ra các vết thâm đen khô héo trên cà chua và ớt.

Goss, đồng thời là giảng viên của Viện nghiên cứu các mầm bệnh mới nổi tại UF, cho biết: “Có nhiều loài vi khuẩn khác nhau gây ra bệnh này và chúng tôi gộp chung chúng lại gọi là bệnh đốm vi khuẩn trên cà chua và ớt. Nhưng các loài khác nhau và thậm chí các chủng riêng lẻ có ký chủ thực vật và phạm vi địa lý khác nhau”.

Bệnh này đã được các nhà khoa học biết đến từ 100 năm nay và có 4 dòng Xanthomonas gây ra bệnh đốm vi khuẩn trên cà chua và ớt. X. perforans là một loài được tìm thấy trên cà chua trên khắp bang Sunshine ngày nay.

Trong nghiên cứu của mình về bệnh đốm vi khuẩn trên cà chua và ớt, Goss thường xuyên hợp tác với 2 giáo sư của UF là Jeffrey B. Jones và Gary Vallad. Jeffrey B. Jones là một nhà vi khuẩn học, là một giáo sư xuất sắc của IFAS; còn Gary Vallad là một nhà nghiên cứu bệnh cây và vi khuẩn học tại Trung tâm Nghiên cứu và Giáo dục Bờ Vịnh UF/IFAS. Jones đã nghiên cứu về Xanthomonas trong hơn ba thập kỷ và Vallad làm việc gắn kết chặt chẽ với những người trồng cà chua ở Florida và có chuyên môn về dịch tễ học bệnh cây và quản lý dịch bệnh hại. Bộ ba đã cùng nhau nhận được tài trợ từ USDA và Ủy ban Cà chua Florida. Trong nghiên cứu gần đây nhất, họ đã áp dụng một số phương pháp mới để hiểu rõ hơn về đa dạng di truyền của vi khuẩn này và cách nó lây lan sang các cây ký chủ mới.

Truy vết X. perforans  trên đồng ruộng và trong sản xuất

Khi cây cà chua hoặc cây ớt bị nhiễm vi khuẩn X. perforans, nó sẽ xuất hiện và phát triển các vết đốm trên lá hoặc quả. Các lá bị nhiễm bệnh có thể bị đốm hoặc bị héo và chết. Khi điều này xảy ra, trái cây có thể phát triển các đốm đen. Nhưng quả cũng có thể bị nhiễm bệnh nếu mầm bệnh xâm nhập qua hoa. Điều này dẫn đến quả cà chua hoặc ớt bị dị dạng hoặc đốm. Dù bằng cách nào thì chúng cũng bị giảm giá trị kinh tế, song chúng lại vô hại khi ăn.

Nhưng những cây trồng này bị nhiễm bệnh như thế nào? Bệnh thường bắt đầu với những hạt giống bị nhiễm bệnh và với mạng lưới cung cấp giống có tính quốc tế, thì đây là một vấn đề rắc rối.

Goss nói: “Bạn có thể trồng cà chua ở Florida, nhưng cà chua đó có thể bắt nguồn từ một hạt giống ở châu Á. Đây đều là những hạt giống lai”.

Nhóm nghiên cứu Goss, Jones và Vallad đã cho thấy có rất nhiều con đường lây nhiễm bệnh ngoài con đường lây qua hạt giống. Vi khuẩn có thể nằm trong nhà kính và sau đó lây lan sang cây con khi chúng được đem đi trồng. Hoặc, hầu hết các nhà kính đều có hệ thống tưới tiêu trên cao và X. perforans có thể đi theo những giọt nước bắn ra từ lá bị nhiễm bệnh sang lá chưa bị nhiễm bệnh. Hoặc nó có thể tồn tại trong đất ở các cánh đồng trồng trọt hoặc có một ổ bệnh không bị phát hiện trong các cây trồng khác. Nhưng bằng cách này hay cách khác, bệnh sẽ xâm chiếm cánh đồng khi có cây cà chua và cây ớt đang sinh trưởng.

Sự lây lan từ cây này sang cây khác cũng có thể xảy ra trên các cánh đồng. Không khí có độ ẩm cao hoặc nước bắn từ cây này sang cây khác do mưa gió hoặc tưới phun mưa có thể thúc đẩy sự lây lan. Hoặc lá của hai cây khác nhau có thể tiếp xúc với nhau và thúc đẩy sự lây lan từ cây này sang cây khác.

Trong khi người trồng đôi khi có thể sử dụng đồng để phòng trừ bệnh, thì X. perforans đã nhanh chóng nhận được gần 100% khả năng kháng thuốc thông qua các gen trên plasmid. Plasmid là các túi có thể trao đổi mà vi khuẩn sử dụng để trao đổi DNA có lợi.

Goss cho biết: “Một khi vi khuẩn có khả năng kháng đồng, thì sẽ không có nhiều sự lựa chọn để làm giảm bệnh này trên đồng ruộng.

Nguồn gốc của X. perforans

X. perforans hiện diện rất phổ biến. Nó xuất hiện dọc theo Bờ biển phía Đông, nhưng cũng có mặt ở trung tâm Mexico, đông Canada, đông nam Brazil, Sicily, Iran, Ethiopia, Tanzania, Thái Lan, Indonesia, Australia, Đài Loan và Hàn Quốc. Sự phân bố rộng khắp toàn cầu của nó là một sự phản ánh của mạng lưới thương mại toàn cầu đối với hạt giống.

Đối với các nhà nghiên cứu như Goss, sự phân bố rộng khắp như vậy cũng đặt ra câu hỏi: Tại sao?

“Tại sao có vẻ như tác nhân gây bệnh này đang trở thành một vấn đề lớn trong những năm gần đây? Đó là sự tiến hóa của mầm bệnh, hay là các chủng mới đến từ một nơi nào khác? Hay có điều gì khác về sản xuất đã thay đổi”, Goss hỏi một cách hùng biện, giải thích những câu hỏi định hướng cho nghiên cứu của cô ấy. “Làm thế nào để chúng ta giảm thiểu dịch bệnh trên đồng ruộng? Bằng cách nào bệnh xuất hiện ở đó và lây lan?".

Tìm hiểu về cách thức và lý do X. perforans thay đổi về mặt di truyền.

Goss sử dụng các kỹ thuật phân tử, ví dụ như giải trình tự DNA toàn bộ bộ gen, để phát hiện sự biến đổi di truyền của X. perforans và những thay đổi theo thời gian.

Goss cho biết: “Các dòng X. perforans mà chúng tôi đang nghiên cứu ở Florida có vẻ rất đa dạng về mặt di truyền. Có những dòng mà chúng tôi thấy rất khác biệt với nhau. Nhưng sau đó chúng tôi cũng có rất nhiều biến thể trong đó. Rõ ràng là nó đang phát triển rất nhanh”.

Một trong những dự án hiện tại của cô được hỗ trợ bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ nhằm phát hiện những thay đổi di truyền và biến động trên các cánh đồng cà chua. Cô dự định xem xét tỷ lệ đột biến và theo dõi sự di chuyển của plasmid giữa các cây ký chủ. Điều này sẽ đem đến cái nhìn sâu sắc về cách thức vi khuẩn tiến hành đa dạng hóa ở vùng Florida sau khi được đưa vào ở một thời điểm nào đó trong hệ thống sản xuất.

Các nghiên cứu phân tử khác gần đây mà Goss, Jones và Vallad đã công bố trong năm mô tả trạng thái của X. perforans ở Florida. Kết quả nghiên cứu trình bày chi tiết việc X. euvesicatoria đã từng là nguyên nhân gây bệnh đốm vi khuẩn trên cà chua và ớt ở Florida và đã bị loại bỏ bởi X. perforans vào đầu những năm 1990 như thế nào. Nhóm của Goss đã thu thập 585 chủng Xanthomonas từ 70 ruộng cà chua ở Florida. Họ phát hiện ra rằng các chủng vi khuẩn này rất đa dạng về mặt di truyền và gần một nửa tạo ra hợp chất có khả năng tiêu diệt vi khuẩn X. euvesicatoria.

Trong một bài báo khác, được xuất bản vào mùa xuân này, nhóm nghiên cứu đã báo cáo việc sử dụng các phương pháp mới để kiểm tra xem một gen cụ thể đã mang lại cho X. perforans lợi thế như thế nào trên đồng ruộng. Họ muốn kiểm tra xem một gen tác động, xopJ2, đã ảnh hưởng như thế nào đến tính thích hợp của vi sinh vật. Những tác giả khác đã giả thuyết rằng gen mang lại lợi thế, nhưng không ai có bằng chứng trực tiếp về những gì nó đã mang lại.

Các cộng tác viên của Goss đã sử dụng các kỹ thuật trong phòng thí nghiệm để tạo ra một dạng đột biến là xopJ2 câm. Sau đó, họ theo dõi hai nhóm X. perforans chính trên đồng ruộng: một nhóm có gen xopJ2 chức năng, tự nhiên và một nhóm có gen xopJ2 câm.

“Đây giống như một nghiên cứu thu hồi dấu hiệu phát hành, nhưng lại để xem xét sự lây lan tương đối của các vi khuẩn khác nhau”, Goss nói khi đề cập đến một loại thiết kế nghiên cứu được các nhà sinh thái học sử dụng. Nó giúp ước tính kích thước của một quần thể trong các trường hợp có thể không thực tế để đếm mọi sinh vật, trong trường hợp này, nó được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của gen đối với quần thể mầm bệnh.

Họ phát hiện ra rằng các vi sinh vật có gen chức năng di chuyển trên đồng ruộng nhanh hơn ba lần so với các vi khuẩn có phiên bản đột biến câm. Lợi thế về khả năng di chuyển mạnh mẽ như vậy, kết hợp với hợp chất chết người có thể giết chết các loại Xanthomonas cạnh tranh, có thể giải thích cách dòng này đã nhanh chóng thay thế dòng X. euvesicatoria trước đó ở Florida.

Goss cho biết: “Nhưng chúng tôi nhận thấy rằng, vài năm trước đây, một trong những dòng chúng tôi nghiên cứu đã mất khả năng tạo ra hợp chất này. Nó làm cho nó trở thành đối thủ cạnh tranh tốt hơn trên lá khi có sự xuất hiện của X. euvesicatoria, nhưng khi không có X. euvesicatoria, chúng tôi giả thuyết rằng việc tạo ra hợp chất kia là lãng phí năng lượng. Vì vậy, chúng đã ngừng sản xuất nó”.

Trong bài báo thứ ba, nhóm đã khám phá phương thức hệ thống sản xuất cà chua ảnh hưởng đến sự đa dạng di truyền của X. perforans. Họ phát hiện ra rằng khi người trồng tự sản xuất hạt giống, các chủng X. perforans trên cây của họ có xu hướng ít đa dạng và khác biệt về mặt di truyền hơn. Ngược lại, những nông dân sử dụng nhiều nguồn hạt giống hoặc cây con trồng lại có các chủng X. perforans khác biệt và đa dạng nhất về mặt di truyền.

Goss cho biết: “Việc giải trình tự gen của hàng trăm chủng loại và xem xét sự tiến hóa và biến thể của mầm bệnh là điều khá mới mẻ trong nghiên cứu bệnh cây. Vẫn còn ít nghiên cứu ở quy mô này”.

Hy vọng trong tương lai

Goss cho biết những phát hiện từ nghiên cứu này có thể được sử dụng để tạo ra các gen kháng X. perforans mà có thể được đưa vào các cây cà chua và cây ớt. Công việc này tốn kém và mất thời gian, nhưng cô ấy đang hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Bờ Vịnh để xác định gen kháng đa dòng.

“Nó có thể không hoạt động chống lại 100% quần thể mầm bệnh, nhưng kể cả nó hoạt động chống lại 30-40% vẫn tốt hơn là không có tính kháng”, Goss nhận định.

Cô cũng đang điều tra các mầm bệnh ảnh hưởng đến dâu tây và ca cao và các trường hợp mầm bệnh đã ngăn chặn cỏ xâm lấn.

Goss nói: “Mục tiêu của tôi là hiểu rõ hơn về cách thức mà tác nhân gây bệnh cây xuất hiện. Các cơ chế sinh thái và tiến hóa đằng sau một vấn đề bệnh tật mới hoặc tồi tệ hơn là gì? Tác nhân gây bệnh đang tiến hóa như thế nào hay các phiên bản mới sẽ xuất hiện ra sao?

Hiểu được các quá trình này, chúng ta sẽ có sự hiểu biết tinh tế hơn về những điều giúp thúc đẩy tác nhân gây bệnh hại thực vật - và thành công của nó. Những kiến thức như thế này sẽ giúp các nhà khoa học cây trồng và người trồng cây trong những năm tới đảm bảo cả giá trị cây trồng và nguồn cung cấp thực phẩm lành mạnh.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo Phys.org