Một khuẩn lạc của mầm bệnh Pseudomonas syringae (màu xanh) trong lục lạp lá Arabidopsis thaliana (màu đỏ tía). Ảnh: Tatsuya Nobori.

Một nghiên cứu trên tạp chí Nature Plants đã tiết lộ những hiểu biết mới về cách vi khuẩn điều chỉnh biểu hiện gen trong quá trình nhiễm bệnh thực vật, cũng như các chiến lược được thực vật sử dụng để bảo vệ bản thân khỏi sự xâm nhập của vi khuẩn.

Bằng cách phân tích các lớp kiểu hình gen vi khuẩn trong quá trình lây nhiễm mầm bệnh của cây chủ, Kenichi Tsuda và các đồng nghiệp từ Viện nghiên cứu nhân giống cây trồng Max Planck ở Cologne, Đức và Đại học Nông nghiệp Huazhong ở Vũ Hán, Trung Quốc, đã tiết lộ những hiểu biết mới về biểu hiện gen của vi khuẩn cũng như các chiến lược được sử dụng bởi thực vật nhắm vào mục tiêu sung yếu của quá trình vi khuẩn gây hại.

Các mầm bệnh vi khuẩn và vật chủ của chúng tham gia vào các tương tác phức tạp, qua nhiều trung gian bởi những thay đổi trong biểu hiện của độc lực vi khuẩn và các thành phần miễn dịch thực vật. Hiểu được sự tương tác này là rất quan trọng đối với sự hiểu biết tích hợp về cách vi khuẩn gây bệnh và cách thực vật tự bảo vệ khỏi bị nhiễm trùng. Tuy nhiên, các nghiên cứu kiểm tra phản ứng của vi khuẩn gây bệnh đối với sự kích hoạt miễn dịch thực vật là rất ít, giữa hai nút thắt chính còn nhiều vấn đề chưa được khám phá.

Một thách thức cho các nhà khoa học trong phản ứng của vi khuẩn bên trong cây chủ của chúng là phân lập RNA của vi khuẩn, phân tử chuyển thông tin di truyền từ bản thiết kế DNA sang protein hoạt động, từ một loạt các vật liệu thực vật. Để vượt qua trở ngại này, các tác giả Tatsuya Nobori, Yiming Wang và các đồng nghiệp đã sử dụng phương pháp làm giàu RNA vi khuẩn từ lá cây. Tuy nhiên, mức độ RNA thường là yếu tố dự đoán kém về mức độ protein và để giải quyết vấn đề này, Nobori, Wang và đồng nghiệp đã phân tích cả biểu hiện của RNA cũng như protein và mối tương quan của hai yếu tố.

Để phân tích các mẫu biểu hiện gen của vi khuẩn trong quá trình lây nhiễm, các tác giả đã sử dụng mầm bệnh vi khuẩn mạnh Pseudomonas syringae và cây mẫu Arabidopsis thaliana. Nobori, Wang và đồng nghiệp đã tìm thấy sự khác biệt lớn giữa cả mức độ RNA và protein của P. syringae khi chúng được tiêm vào thực vật so với vi khuẩn được nuôi trong phòng thí nghiệm, đặc biệt là giai đoạn sớm của quá trình tương tác giữa vi khuẩn và thực vật, cho thấy những kiểu đầu tiên này biểu hiện gen vi khuẩn là rất quan trọng cho kết quả của nhiễm trùng.

Để xác định vai trò của miễn dịch thực vật trong việc hình thành biểu hiện gen của vi khuẩn, các tác giả đã sử dụng các cây đột biến trong đó các nhánh cụ thể của hệ thống miễn dịch bị tổn hại và phân tích các loại gen có biểu hiện bị ảnh hưởng. Phân tích này cho thấy tín hiệu miễn dịch thực vật được kiểm soát bởi hormone salicylic acid (SA) ức chế mRNA của vi khuẩn và protein thúc đẩy sinh bệnh học.

Bộ sưu tập dữ liệu biểu hiện RNA và protein của tác giả cho phép họ xác định tác động của con đường SA đến mRNA của vi khuẩn và/hoặc protein trong quá trình nhiễm khuẩn. Họ đã quan sát thấy một mức độ thỏa thuận chung cao, điều này cho thấy con đường SA nhắm vào biểu hiện mRNA của vi khuẩn. Đáng chú ý, họ cũng phát hiện ra rằng nhánh miễn dịch thực vật qua trung gian SA đặc biệt nhắm vào các protein tạo thành đầu "mũi tiêm" được vi khuẩn sử dụng để đưa protein độc lực của chúng vào bên trong tế bào chủ và cùng một nhánh miễn dịch thực vật cũng ức chế rất cao protein nhưng không biểu hiện mRNA của các yếu tố liên quan đến sự di chuyển của vi khuẩn.

Sự phong phú của dữ liệu biểu hiện do Tsuda và nhóm của ông tạo ra cũng cho phép họ giải quyết cách thức các gen vi khuẩn được điều hòa trong quá trình lây nhiễm. Để làm điều này, họ tìm sự tương quan biểu hiện của hơn 4.500 gen với nhau và tập hợp lại những gen biểu hiện các kiểu biểu hiện tương tự nhau. Cách tiếp cận này mang lại hai hiểu biết quan trọng: thứ nhất, phân tích đồng biểu hiện cho phép họ xác định các cụm gen vi khuẩn chưa biết trước đó góp phần vào sự phát triển của vi khuẩn; thứ hai, bằng cách quan sát rằng các nhóm gen đồng biểu hiện cao cũng chứa các bộ điều hòa phiên mã đã biết của các cụm này, các tác giả có thể dự đoán thành công các bộ điều hòa phiên mã chưa biết trước đó và xác nhận rằng trên thực tế chúng kiểm soát biểu hiện và độc lực của vi khuẩn.

Đồng tác giả Nobori nhấn mạnh rằng cách tiếp cận của các tác giả để phân tích dòng thông tin di truyền của vi khuẩn trong quá trình lây nhiễm thực vật cũng có thể được áp dụng cho sự tương tác của các loài cây trồng với vi khuẩn gây bệnh: "Xác định các chiến thuật được sử dụng bởi vi khuẩn để thiết lập sự lây nhiễm cũng như các chiến lược đối kháng của thực vật sẽ đề xuất các biện pháp can thiệp để tối ưu hóa việc nhân giống cây trồng".

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org