Ảnh hưởng của mạng lưới lưu thông hom giống đến sự lây lan và đa dạng của vi khuẩn Xanthomonas phaseoli pv. manihotis gây bệnh cho cây sắn ở vùng Caribe Colombia

Sắn là nền tảng của an ninh lương thực ở vùng nhiệt đới, được ưa chuộng vì khả năng chịu hạn và cung cấp hàm lượng tinh bột cao trong củ. Tuy nhiên, nó lại dễ bị tổn thương bởi Bệnh Cháy lá (CBB), gây ra bởi vi khuẩn Xanthomonas phaseoli pv. manihotis (Xpm), có thể gây sụt giảm 20% đến mất sản lượng hoàn toàn.

Một trong những thách thức chính trong việc kiểm soát CBB là các con đường lây lan của nó. Mặc dù gió và mưa có thể lây lan vi khuẩn trong một khoảng cách ngắn, nhưng con đường lây lan chính lại là do sự lưu thông vật liệu trồng bị nhiễm bệnh (hom giống) mà nông dân sử dụng để trồng cho vụ mới. Trong các hệ thống canh tác quy mô nhỏ như ở vùng Caribe của Colombia, nông dân không mua giống từ cửa hàng. Thay vào đó, họ mua hoặc trao đổi hom giống từ hàng xóm, gia đình và các nhà cung cấp khác. "Mạng lưới lưu thông hom giống" không chính thức này rất quan trọng để bảo tồn đa dạng cây trồng và đảm bảo nông dân có vật liệu trồng, nhưng nó cũng tạo ra một con đường hoàn hảo cho các mầm bệnh lây truyền qua hom giống như Xpm.

Phân bố địa lý của các cây bị nhiễm Xpm.

Ghi chú: - Các cây được tô màu theo phức hợp vô tính của chúng

          - (a) ở cấp độ làng xã, và (b) ở quy mô ba cánh đồng liền kề (giới hạn bằng đường đứt đoạn) do ba nông dân khác nhau canh tác.

         - Các con số thể hiện mã định danh haplotype.

Căn bệnh này rất khó lường. Hom giống từ một cây bị nhiễm bệnh có thể trông hoàn toàn khỏe mạnh nhưng lại mang vi khuẩn bên trong. Khi nông dân trồng những hom này, họ đã vô tình đưa mầm bệnh vào ruộng của mình. Các nghiên cứu trước đây đã gợi ý về mối liên hệ này, nhưng người ta biết rất ít về việc cấu trúc của các mạng lưới xã hội này ảnh hưởng trực tiếp đến bối cảnh di truyền và sự lây lan của mầm bệnh ở quy mô địa phương như thế nào. Nghiên cứu này nhằm lấp đầy khoảng trống kiến thức đó.

Để gỡ rối vấn đề phức tạp này, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Pháp và Colombia đã áp dụng một phương pháp tiếp cận liên ngành mới tại làng Villa López, một vùng sản xuất sắn lớn ở Caribe thuộc Colombia. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành các cuộc phỏng vấn chi tiết với tất cả 40 nông dân trồng sắn trong làng và 5 nhà cung cấp giống chính. Họ hỏi về tập quán canh tác, nơi họ lấy hom giống và họ chia sẻ hom giống với ai. Dữ liệu này được sử dụng để xây dựng một bản đồ chi tiết về "mạng lưới lưu thông hom giống", cho thấy dòng chảy của vật liệu trồng giữa các cá nhân. Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu đã khảo sát từng cánh đồng, lấy mẫu cả cây sắn và vi khuẩn CBB (Xpm) gây bệnh trên chúng. Sau đó, họ sử dụng các kỹ thuật phân tử tiên tiến phân tích DNA của cây sắn để xác định các giống khác nhau. Họ sử dụng một phương pháp có độ phân giải cao gọi là MLVA (Phân tích VNTR đa locus) để tạo ra một "dấu vân tay di truyền" cho mỗi chủng vi khuẩn, cho phép họ truy tìm sự lây lan và tiến hóa của nó với độ chính xác đáng kể. Bằng cách chồng các lớp bản đồ mạng lưới xã hội, bản đồ địa lý của các trang trại, và dữ liệu di truyền của cả cây trồng và mầm bệnh, các nhà nghiên cứu cuối cùng đã có thể nhìn thấy bức tranh toàn cảnh về cách thức dịch bệnh di chuyển trong cộng đồng.

Nghiên cứu đã phát hiện một mức độ đa dạng di truyền cao đáng ngạc nhiên của mầm bệnh CBB chỉ trong một ngôi làng duy nhất, tương đương với sự đa dạng được tìm thấy trên một khu vực rộng lớn hơn nhiều. Phát hiện này ngay lập tức cho thấy rằng dịch bệnh không chỉ lây lan ngẫu nhiên mà đang được con người chủ động di chuyển. Phân tích đã làm nổi bật hai kết luận chính:

Mối liên hệ trực tiếp giữa mạng lưới lưu thông hom giống và sự đa dạng của mầm bệnh. Trong làng, mầm bệnh rất đa dạng, với 73 biến thể di truyền (kiểu haplotype) khác nhau được xác định. Sự đa dạng này không phải ngẫu nhiên; nó được cấu trúc bởi sự tương tác của con người. Điều này cho thấy việc trao đổi hom giống liên tục giữa nhiều nông dân khác nhau đã du nhập và trộn lẫn các chủng vi khuẩn khác nhau trong toàn cộng đồng.

Mạng lưới haplotype Xpm.

Ghi chú:

• Các nút được gắn nhãn theo số hiệu được gán cho mỗi haplotype.

• Kích thước nút tăng theo số chủng biểu hiện haplotype đó, trong khi màu sắc biểu thị ID của người nông dân đã trồng các cây mà haplotype Xpm được phân lập.

• Các số trên các liên kết biểu thị số bước đột biến.

• Hai cụm DAPC được phân tách bằng đường màu xanh lam.

• Các đường màu đỏ xác định các chủng Xpm gần nhau về mặt di truyền đồng thời xuất hiện trên một cây.

Mối quan hệ xã hội là yếu tố dự báo lây nhiễm tốt hơn khoảng cách vật lý. Có lẽ phát hiện nổi bật nhất là sự tương đồng di truyền của vi khuẩn được tìm thấy trên hai trang trại khác nhau có liên quan chặt chẽ hơn đến việc liệu hai người nông dân đó có trao đổi vật liệu trồng với nhau hay không, hơn là việc trang trại của họ gần nhau đến mức nào. Nói cách khác, một nông dân có nhiều khả năng bị nhiễm cùng một chủng CBB với người mà họ nhận giống, ngay cả khi trang trại của người đó cách xa vài km, hơn là người hàng xóm ngay cạnh nhà mà họ không chia sẻ giống.

Điều này chứng tỏ rõ ràng rằng sự lây lan qua trung gian con người (mạng lưới xã hội) là một lực lượng mạnh mẽ trong việc phát tán mầm bệnh trên khoảng cách xa, trong khi sự lây lan tự nhiên (như mưa, gió) chỉ giới hạn phạm vi ngắn trong một cánh đồng hoặc giữa các trang trại liền kề. Nghiên cứu xác định rằng việc lưu thông hom giống bị nhiễm bệnh là nguyên nhân khả dĩ cho 58 trường hợp lây nhiễm (35,6%) và là lời giải thích hợp lý duy nhất trong 11 trường hợp (6,7%).

Những phát hiện này có ý nghĩa sâu sắc đối với cách chúng ta quản lý dịch bệnh thực vật trong các hệ thống nông nghiệp quy mô nhỏ. Nghiên cứu chứng minh rằng chỉ dựa vào di truyền học mầm bệnh là không đủ. Để thực sự hiểu và kiểm soát một căn bệnh như CBB, chúng ta phải tích hợp các yếu tố văn hóa-xã hội. Cấu trúc mạng lưới của nông dân, truyền thống trao đổi của họ, và khả năng tiếp cận vật liệu trồng sạch bệnh là những mảnh ghép quan trọng của câu đố. Thay vì các giải pháp chung chung, một kích cỡ cho tất cả, các chiến lược kiểm soát dịch bệnh giờ đây có thể được nhắm mục tiêu cụ thể hơn. Bằng cách xác định các cá nhân hoặc nhóm chủ chốt là trung tâm trong mạng lưới lưu thông hom giống, các dịch vụ khuyến nông có thể tập trung nỗ lực vào việc cung cấp cho họ vật liệu trồng sạch bệnh và tập huấn. Điều này sẽ tạo ra hiệu ứng tích cực lan tỏa khắp cộng đồng. Nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết phải làm việc cùng nông dân, chứ không phải chống lại truyền thống của họ. Mục tiêu không phải là ngăn họ chia sẻ giống, mà là trao quyền cho họ với kiến thức và công cụ để đảm bảo vật liệu họ chia sẻ là sạch bệnh. Điều này bao gồm việc phát triển các công cụ chẩn đoán tốt hơn mà nông dân có thể sử dụng và tạo ra các hệ thống sản xuất giống sạch dựa vào cộng đồng.

Tóm lại, nghiên cứu này minh họa một cách xuất sắc rằng dịch bệnh thực vật không chỉ là một vấn đề sinh học; chúng là một vấn đề sinh thái-xã hội. Bằng cách nhìn vào mạng lưới phức tạp của các mối quan hệ con người làm nền tảng cho nông nghiệp quy mô nhỏ, chúng ta có thể phát triển các chiến lược thông minh hơn, bền vững hơn và phù hợp với địa phương hơn để bảo vệ các cây trồng nuôi sống hàng triệu người.

Nguyễn Ngọc Hùng theo New Phytologist Foundation.