Agrobacterium, gây bệnh khối u, gây hại các loại cây hoa cảnh gồm hoa hồng, và nhiều cây trồng khác.

Nho là một trong số hơn 100 loài cây trong nhà kính và vườn ươm mà Agrobacterium có thể tấn công. Ảnh: Lynn Ketchum, Đại học Bang Oregon.

Mới đây, các nhà khoa học của ARS (Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Hoa Kỳ) và các cộng tác viên từ Đại học bang Oregon (OSU) đã phát triển một phương pháp di truyền mới, rất chi tiết để theo dõi sự lây lan của Agrobacterium, một trong những loài vi khuẩn gây bệnh cây quan trọng nhất trên thế giới, nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Science.

Agrobacterium là tác nhân gây bệnh khối u vương miện ở nhiều cây ăn quả (táo, anh đào, dâu, quả óc chó), cây cảnh và cây bụi bao gồm hoa hồng, cây thân thảo, cây nho và cây công trình. Hàng năm, thiệt hại do bệnh gây ra cho hơn 100 loài cây trồng trong nhà kính và vườn ươm lên tới 16,2 tỷ USD ở Hoa Kỳ. Vi khuẩn này cũng là đối tượng gây hại nghiêm trọng đối với cây trồng thủy canh.

Độc tính của Agrobacterium là do sự hiện diện của các plasmid bên trong các tế bào vi khuẩn. Plasmid là các phân tử DNA được sao chép tự động, trở thành một phần của vi khuẩn nhưng không cần thiết cho sinh lý của tế bào. Các plasmid này chứa các gen làm cho Agrobacterium có khả năng đặc biệt để chuyển một phần plasmid vào tế bào thực vật và lập trình lại gen cho vật chủ để gây bệnh.

Các plasmid này cũng có các gen cho phép Agrobacterium chuyển toàn bộ plasmid từ vi khuẩn này sang vi khuẩn khác chứ không chỉ tuyền từ bố mẹ sang con cái. Sau khi có được một plasmid có hại, một chủng Agrobacterium lành tính trước đây có thể trở thành một dòng mầm bệnh mới. Khả năng đặc biệt này đã khiến việc kiểm soát mầm bệnh và theo dõi sự bùng phát của vi khuẩn này trở nên rất khó khăn.

Để phát triển hệ thống theo dõi vi khuẩn, trước tiên các nhà nghiên cứu phải tìm ra sự tiến hóa thực tế và sự phân loại của các plasmid được tìm thấy trong Agrobacterium. Các plasmid có hai loại chính: loại gây ra khối u (Ti) và loại gây bệnh lông rễ (Ri), không loại nào có liên quan di truyền trực tiếp với Agrobacterium.

Trước khi có nghiên cứu này, các nhà khoa học từng cho rằng việc vận chuyển thông tin di truyền thường xuyên giữa các plasmid và một lượng lớn biến dị di truyền giữa các loài Agrobacterium là điều khiến cho việc xây dựng các mối quan hệ tiến hóa thực tế là không thể, do vậy, không thể nào theo dõi loại dịch bệnh này.

Nhóm ARS/OSU đã phát hiện ra các plasmid Ti và Ri. Họ đã phân tích toàn bộ trình tự bộ gen của hơn 1.500 chủng vi khuẩn từ bộ Rhizobiales, bao gồm Agrobacterium, cho thấy các dòng Agrobacterium khác nhau đã xuất hiện độc lập tại các thời điểm khác nhau.

"Chúng tôi phát hiện ra rằng nghiên cứu đường truyền plasmid giữa các tế bào vi khuẩn là chìa khóa để theo dõi sự bùng phát của dịch bệnh", Tiến sĩ Alexandra J. Weisberg của OSU nói. Nghiên cứu của bà được cố vấn bởi nhà nghiên cứu bệnh học thực vật Niklaus Grunwald với Đơn vị nghiên cứu cây trồng ARS ở Corvallis, Oregon và Giáo sư Jeff Chang với OSU.

Bà Weisberg cho biết: "Được trang bị thông tin trình tự di truyền đầy đủ về cách phân loại plasmid và Agrobacterium, chúng tôi đã tìm ra cách vi khuẩn lan truyền giữa các vườn ươm và cách các plasmid lan truyền giữa các vi khuẩn".

Việc có toàn bộ trình tự bộ gen của Agrobacterium cho phép liên kết các ổ dịch trong vườn ươm trên cơ sở có các chủng có cùng trình tự gen và plasmid, trình tự bộ gen giống nhau nhưng trình tự plasmid khác nhau hoặc trình tự bộ gen khác nhau nhưng trình tự plasmid giống nhau, bà Weisberg giải thích.

Các nhà nghiên cứu đã có thể theo dõi ít nhất bảy trường hợp trong đó sự phân bố toàn cầu của cây đã tạo cơ hội lan truyền rộng rãi một tổ hợp plasmid Agrobacterium. Trong một trường hợp, họ đã theo dõi một vườn ươm sản xuất cây giống cung cấp cho nhiều đầu mối, được xem như là nguồn bệnh nhân số 0 cho nhiều ổ dịch. Các chủng có cùng kiểu gen-plasmid sau đó đã được xác định ở hai vườn ươm khác ở một nơi khác trên thế giới.

Với khả năng phân tích riêng biệt vi khuẩn từ plasmid, họ đã tìm thấy nhiều trường hợp trong đó sự lan truyền plasmid làm kéo dài sự lây lan của bệnh. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một tổ hợp chủng plasmid được thu thập vào năm 1964. Các plasmid có cùng trình tự đã được xác định trong các chủng được thu thập 30-40 năm sau ở các khu vực rất khác nhau trên thế giới.

Bà Weisberg cho rằng hiểu rõ về cơ sở di truyền về cách các mầm bệnh như Agrobacterium phát triển và đa dạng hóa, đặc biệt là trong môi trường nông nghiệp, cung cấp một nền tảng mới để xác định sự lây lan của chúng và đánh giá rủi ro dự đoán sự bùng phát của dịch bệnh. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu xác định liệu các phương pháp canh tác nông nghiệp có làm lây lan các tổ hợp vi khuẩn/plasmid hay plasmid tự lan truyền, từ đó sẽ giúp người nông dân sử dụng các chiến lược phù hợp để hạn chế lây lan của bệnh.

Theo bà Weisberg, chiến lược này có tiềm năng được áp dụng trong việc theo dõi các bệnh khác trong dịch tễ học thực vật và người/động vật và thậm chí theo dõi các vụ dịch bệnh an toàn thực phẩm.

Lê Thị Thanh theo ARS.