Tin tặc thực vật đang hoạt động: hình ảnh quan sát dưới kính hiển vi, bào tử vi nấm oomycete xâm nhập vào rễ cây. Hình ảnh: John Herlihy
 

Cây trồng nuôi sống chúng ta. Nếu không có chúng, chúng ta không thể tồn tại. Qua hàng nghìn năm với những biến đổi di truyền và lai tạo chọn lọc, con người đã phát triển các loại cây trồng và điều đó giúp chúng ta tồn tại. Chúng ta có một lượng lớn các loại hạt ngũ cốc, trái cây và các loại rau xanh bổ dưỡng, không độc tố. Các loại này không bao giờ được tìm thấy trong tự nhiên, chúng được lai tạo và chọn lọc bởi con người nhằm duy trì sự khỏe mạnh và niềm hạnh phúc của chúng ta.

Thật không may, các vi sinh vật cũng rất ưa thích các sản phẩm cây trồng. Những mầm bệnh từ vi sinh vật gây ra trên thực vật đã làm thay đổi lịch sử thế giới và hiện nay vẫn ảnh hưởng đến chúng ta.

Những tác nhân gây bệnh này là các tin tặc thực vật. Cũng giống như tin tặc máy tính, chúng là những tác nhân xâm nhập chuyên biệt, chuyên nghiệp tàng hình và gián đoạn. Các phương pháp tương tự nhau: tắt các hệ thống phòng thủ và thâm nhập vào nguồn của mục tiêu. Một khi đã vào bên trong, các các tác nhân gây bệnh ăn tất cả những gì có thể và sinh sản dữ dội. Tin tặc máy tính khao khát nhiều thông tin, nhưng các tin tặc thực vật thì ưa thích thức ăn của chúng ta. Có tới 25% sản lượng cây trồng toàn cầu bị thất thu do bệnh trước khi chúng tiếp cận thị trường.

Oomycetes trong cuộc tấn công

Tin tặc thực sự khét tiếng và tinh quái nhất là vi nấm thuộc lớp Oomycetes. Nạn đói khoai tây Ailen trong những năm 40 thế kỷ 19 gây ra bởi các loài Phytophthora thuộc lớp Oomycete. Thảm họa sinh học này đã dẫn đến sự di cư của hàng triệu người đến Hoa Kỳ, và đã thay đổi vĩnh viễn lịch sử của cả hai quốc gia này. Thậm chí ngày nay, các vi nấm nằm trong lớp Oomycetes và các mầm bệnh thực vật khác vẫn là một rào cản đối với an ninh lương thực toàn cầu, góp phần tạo nạn đói và gây thiệt hại hàng tỷ đô la mỗi năm.

Ở bên trái, ngô và tổ tiên hoang dã của nó là teosinte. Hoạt động lai tạo vào chọn lọc giống dẫn đến sự thay đổi gen của cây trồng, phù hợp với nhu cầu của con người. Ở bên phải, tác nhân gây bệnh trên cây ngô. Chúng ta không phải là loài duy nhất sống dựa trên cây trồng. Ảnh: bên trái bởi Nicolle Rager Fuller, bên phải bởi Gailhampshire.
 

Oomycetes là kết quả kỳ lạ của sự tiến hóa. Chúng có hình dạng và hoạt động như nấm; do đó tên Hy Lạp của chúng là  “nấm-trứng”. Theo hệ thống phân loại mới dựa vào chuỗi gen thì Oomycetes được xem như một loài tảo hơn là nấm. Oomycetes khởi đầu dưới dạng một vi bào tử thâm nhập vào lá hoặc rễ của cây một cách âm thầm. Một khi đã vào bên trong, chúng thiết lập một kết nối khác với các tế bào của cây chủ. Các tin tặc truy cập và có thể gây rối với bất cứ thứ gì chúng muốn - như tắt hệ thống an ninh của cây chủ và đột nhập vào các bộ phận chứa chất dinh dưỡng của cây.

Sự tiến hóa làm cho oomycetes tiết ra một loạt các độc tố và protein tập trung trên các trung tâm hệ miễn dịch thực vật để vô hiệu hóa nó. Thực vật có thể chống lại các cuộc tấn công này nếu chúng nhận ra các chất đặc thù hoặc các độc tố của tin tặc. Nhưng việc phát hiện này rất khó khăn và chỉ lướt qua. Các tin tặc Oomycetes có nhiều gen được hình thành cho sự tiến hóa. Các gen chủ yếu của sự trao đổi chất và tăng trưởng chỉ đột biến và thay đổi ở tốc độ bình thường. Tuy nhiên, gen sinh độc tố, và những gen điều khiển sự xâm nhiễm thay đổi rất nhanh, chúng được định vị để sắp xếp lại, hoặc kết hợp hoặc bị tắt chỉ sau một thế hệ. Những hình thái mới này tiến triển nhanh đến mức chúng cản trở hệ thống miễn dịch chậm chạp của cây. “Bộ gen hai tốc độ” này có nghĩa là các oomycetes luôn luôn chạy trước hệ thống chuẩn đoán miễn dịch thực vật. Khi nông dân sử dụng các loại cây trồng giống nhau về mặt di truyền từ năm này sang năm khác, Oomycetes không mất nhiều thời gian để phát triển và thích ứng với hệ thống phòng thủ của cây trồng.

Vậy làm thế nào để các nhà nghiên cứu và nhà nông ngăn chặn tin tặc thực vật, bảo vệ cây trồng? Mặc dù tốn kém và nhiều hạn chế, nhưng thuốc trừ sâu vẫn là một công cụ quan trọng để kiểm soát bệnh trên cây trồng.

Nông dân cố gắng sử dụng một lượng tối thiểu thuốc để diệt nấm hiệu quả, điều này làm giảm nguy cơ khiến Oomycetes phát triển kháng thuốc. Ví dụ, Trung tâm dịch vụ dự báo bệnh đốm lá trên họ bầu bí (Cucurbit Downy Mildew) ở Georgia kết hợp các báo cáo về dịch bệnh và dự báo thời tiết để dự đoán con đường lây lan của bệnh. Điều này cho phép người trồng giảm thiểu việc phun thuốc bằng việc theo dõi sát các giai đoạn nguy cơ cao. Nhưng điều đó thật tuyệt khi có những vũ khí khác trong kho vũ khí để chống lại những tin tặc thực vật này.

Vết nhuộm màu xanh trên tác nhân gây bệnh omycere lây nhiễm vào các tế bào rễ thực vật trong suốt. Ảnh: John Herlihy

Loại bỏ các lỗ hổng bị khai thác

Trong phòng thí nghiệm McDowell, ở Virginia Tech, các nhà khoa học tìm kiếm những cách mới để chống lại các bệnh do Oomycete gây ra.

Tin tặc máy tính dựa vào nguyên lý khai thác lỗ hổng mật mã để truy cập vào hệ thống và lấy những gì chúng muốn. Oomycetes làm việc theo cùng một cách, sử dụng cây chủ của chính nó để đạt được mục đích cuối cùng. Ví dụ, các loại bệnh trên thực vật kích hoạt các máy bơm tự nhiên của cây để cung cấp đường cho sự tăng trưởng của chính tác nhân gây bệnh. Một số nấm Oomycetes mất khả năng tạo ra các chất dinh dưỡng quan trọng, có nghĩa là chúng phải dựa vào cây chủ để thực hiện điều đó cho chúng. Nếu không có sự chấp thuận của cây chủ, mầm bệnh sẽ chết đói trước khi cây bị bệnh.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu bệnh do Oomycete gây ra trên cây mô hình Arabidopsis. Cỏ dại này chỉ được trồng trong phòng thí nghiệm, giống như những con chuột trong phòng thí nghiệm, chúng cung cấp một công cụ để chúng ta hiểu những gì diễn ra ngoài đồng và vườn cây của chúng ta.

Các nhà nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ giữa thực vật và các tác nhân gây bệnh, tìm hiểu các cách khác nhau mà Oomycetes khám phá cây chủ của chúng. Nếu chúng ta có thể xác định các cơ chế của các tế bào bộ phận phản ứng với tác nhân gây bệnh, chúng ta có thể lai tạo hoặc can thiệp để thay đổi, tắt hoặc loại bỏ các lỗ hổng đó.

Cây con Arabidopsis trước và sau nhiễm nấm. Những sợi lông trắng trên cây bị nhiễm ở bên phải là những cấu trúc sinh bào tử. Chúng sẽ gây ra các bệnh đốm trên cây. Hình ảnh: John Herlihy
 

Các nhà khoa học kiểm tra các cây đã được can thiệp di truyền để tắt các gen riêng lẻ liên quan đến sự hấp thụ chất dinh dưỡng, vận chuyển, lưu trữ và điều hòa. Họ gây nhiễm cho những cây này và tìm hiểu liệu chúng có khả năng chống chịu tốt hơn so với những cây bình thường hay không.

Thông thường việc loại bỏ một gen bất lợi cho cây trồng cũng sẽ gây nên bệnh cho cây. Nhưng đôi khi có thể tìm thấy một cá thể cây, với gen bất hoạt của nó và ít nhạy cảm với bệnh. Có khả năng, những cây này thiếu một thành phần quan trọng mà mầm bệnh cần để tồn tại và phát triển. Tìm ra những gen nhạy cảm và đóng những lỗ hổng đang bị khai thác trong hệ thống phòng vệ thực vật là mục tiêu của nghiên cứu.

Nhìn xa hơn, hy vọng rằng nghiên cứu có thể làm giảm tác hại của bệnh trên thực vật. Giống như một máy tính, không có hệ thống phòng vệ thực vật nào là hoàn hảo. Tuy nhiên, nếu sơ hở có thể được đóng lại, tin tặc sẽ có một thời gian khó khăn hơn để truy cập vào những gì chúng đang theo dõi. Cả hai kỹ thuật nhân giống và di truyền đều dẫn đường để đóng những lỗi sơ hở đang tồn tại trong các loại cây trồng bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự tấn công của tin tặc thật vật.

Ngay cả khi mọi người trên trái đất có đủ thức ăn, dân số ngày càng tăng, nhu cầu về bữa ăn tăng thêm và nhu cầu về những sản phẩm tươi hơn đòi hỏi phải tăng cường trồng trọt. Điều này chỉ có thể đến từ nhiều nông trại hoặc nhiều trang trại hiệu quả. Các chiến lược hạn chế sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cùng với các cây trồng có khả năng thích ứng với các tác nhân tin tặc gây bệnh có thể làm cho các trang trại sản xuất hiệu quả hơn.

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org