Maria Malvino và đồng nghiệp đã phát hiện ra vì sao khả năng bảo vệ của cà chua không theo kịp sự lây nhiễm, bởi các vi khuẩn gây bệnh đã tiến hóa. Ảnh: Sarah Hind.

Khi chúng ta nghĩ về sự tiến hóa, nhiều người trong chúng ta liên tưởng đến sự tiến hóa từ vượn thành người, một loạt các thay đổi gia tăng kéo dài hàng triệu năm. Tuy nhiên, ở một số loài, quá trình tiến hóa diễn ra nhanh đến mức chúng ta có thể theo dõi trong thời gian thực.

Đó là trường hợp của Xanthomonas, vi sinh vật gây bệnh đốm lá do vi khuẩn trên cây cà chua và cây hồ tiêu. Giống như nhiều vi sinh vật có vòng đời ngắn, nó có thể tiến hóa với tốc độ cực nhanh để có được những đặc điểm có lợi, chẳng hạn như khả năng lẩn tránh hệ thống phòng thủ của vật chủ.

Nghiên cứu mới của Đại học Illinois cho thấy một loài Xanthomonas, X. euvesicatoria (Xe), đã tiến hóa để tránh bị hệ thống miễn dịch của cây cà chua phát hiện.

“Đó là một phần của cuộc chiến tiến hóa giữa thực vật và mầm bệnh, trong đó thực vật có một số đặc điểm bảo vệ và sau đó một số phần của quần thể mầm bệnh tiến hóa để thoát khỏi nó. Thực vật phải phát triển hoặc có được một đặc điểm phòng vệ mới, nhưng quá trình này ở thực vật chậm hơn nhiều so với vi sinh vật. Nghiên cứu này là một ví dụ rất cụ thể về cuộc chiến đang diễn ra. Nó cho chúng ta biết rằng chúng ta không thể hoàn toàn dựa vào đặc điểm này để chống lại bệnh đốm vi khuẩn do Xe gây ra”, theo Sarah Hind, Phó giáo sư, Khoa Khoa học Cây trồng, ĐH Illinois và là đồng tác giả của nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Molecular Plant -Tương tác giữa Vi sinh vật và Bệnh lý Thực vật Sinh lý và Phân tử.

Hệ thống phòng thủ của cà chua theo dõi Xanthomonas và các vi khuẩn khác bằng các thụ thể miễn dịch phát hiện ra trùng roi về mặt hóa học, cấu trúc đuôi dài giống roi cho phép vi khuẩn di chuyển hoặc “bơi” trong đất và các mô thực vật. Hind và các đồng nghiệp của cô đã sử dụng các kỹ thuật mô hình gen và phòng thí nghiệm để cho thấy một trong những thụ thể của cà chua, FLS3, không còn hoạt động để phát hiện các protein của roi trong Xe.

Nghiên cứu của họ cho thấy các protein tế bào roi của Xe chỉ thay đổi bởi một axit amin, nhưng nó đủ để thoát khỏi sự phát hiện của các thụ thể FLS3 của cà chua.

Nghiên cứu sinh và đồng tác giả nghiên cứu Maria Malvino cho biết: “Thật ngạc nhiên khi thấy rằng chỉ một thay đổi axit amin đã tạo ra tất cả sự khác biệt. Nó khiến chúng tôi tự hỏi làm thế nào mà liên kết giữa roi (tiên mao) và FLS3 lại có thể bị thay đổi đáng kể như vậy”.

Thực tế cho rằng Xe có thể vượt qua hàng rào bảo vệ của cà chua có nghĩa là nông dân có thể ít dựa vào khả năng kháng bệnh vốn có. Thay vào đó, họ sẽ phải chống lại dịch bệnh bằng những cách khác, chẳng hạn như phun thuốc trừ sâu gốc đồng.

Ở một số địa điểm, bao gồm cả khu vực Trung Tây và đặc biệt là ở Illinois, Xe không phải là vấn đề nhiều như hai loài Xanthomonas khác, X. perforans và X. gardneri (Xp và Xg). Hiện tại, cà chua vẫn có thể chống lại những loài này, nhưng Hind lo ngại Xe sẽ chia sẻ chiến lược lẩn tránh của mình.

 “X. euvesicatoria [Xe] đã là dòng nổi trội trong một thời gian dài, nhưng trong vòng một hoặc hai thập kỷ qua, nó trở nên kém nổi bật hơn và đã bị một loài khác, Xp vượt qua”, cô cho biết. “Xp và Xe thực sự có quan hệ gần gũi về mặt di truyền và đã chứng minh rằng chúng có thể chia sẻ vật chất di truyền của mình với nhau. Vì vậy, sẽ không nằm ngoài khả năng chiến lược trốn tránh của Xe có thể xâm nhập vào Xp và mang lại lợi thế tương tự so với cà chua”.

Hind cho biết xu hướng của những vi khuẩn này đánh bại khả năng phòng thủ của vật chủ thông qua quá trình tiến hóa nhanh chóng khiến cho việc lai tạo để kháng bệnh ở cà chua trở nên khó khăn.

“Nó giống như một con chuột chũi đối với các nhà lai tạo. Phải mất một thời gian dài để đưa ra một giống kháng. Thông thường, vào thời điểm họ đưa ra một giống mới, quần thể mầm bệnh sẽ thay đổi”, Hind nói. “Và thêm vào đó là khó khăn trong việc duy trì tất cả các đặc điểm mong muốn của cây cà chua, đó là một tình huống khó khăn. Một lần nữa, điều đó khiến chúng tôi phải dựa vào thuốc diệt nấm và phương pháp điều trị bằng đồng để duy trì sản xuất cà chua có lợi nhuận ở đây, bang Illinois”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Illinois.