Cách thức vi khuẩn gây hại tấn công cây trồng

Các vết đốm trên quả cà chua cho thấy dấu hiệu nhiễm khuẩn. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Washington đã xác định được một loại protein có liên quan đến hiện tượng nhiễm khuẩn gây thiệt hại nghiêm trọng cho cây trồng. Nguồn: Shutterstock.

Rệp vừng, châu chấu và nhiều loài côn trùng khác không phải là những tác nhân duy nhất có khả năng nhanh chóng gây tổn thất mùa màng. Các loài vi khuẩn gây bệnh cũng đã tiến hóa những chiến lược chuyên biệt nhằm vượt qua hệ thống phòng vệ của thực vật. Một cây cà chua khỏe mạnh có thể nhanh chóng xuất hiện triệu chứng bệnh và tổn thương lan rộng, dưới tác động của các vi sinh vật gây hại được trang bị nhiều cơ chế thích nghi phức tạp.

Trong một nghiên cứu gần đây, các nhà khoa học tại Đại học Washington ở St. Louis đã xác định được một cơ chế giúp vi khuẩn Pseudomonas syringae khai thác các đặc tính sinh học cơ bản của cây trồng và biến chúng thành yếu tố bất lợi cho chính cây trồng. Kết quả nghiên cứu, vừa được công bố trên tạp chí uy tín mBio, mở ra tiềm năng phát triển những phương pháp mới nhằm bảo vệ cây trồng. “Nếu chúng ta có thể hiểu được cơ chế phía sau quá trình lây nhiễm, chúng ta sẽ có khả năng ngăn chặn nó”, đồng tác giả Barbara Kunkel, giáo sư Sinh học tại Trường Nghệ thuật & Khoa học, cho biết.

Tác giả chính của nghiên cứu là Chia-Yun “Cynthia” Lee, khi đó là nghiên cứu sinh tiến sỹ trong phòng thí nghiệm của Kunkel và hiện là nghiên cứu sinh sau tiến sỹ ngành sinh học. Một đồng tác giả khác là Maya Irvine, trợ lý nghiên cứu bậc đại học tại thời điểm thực hiện công trình.

Theo Kunkel, nhiều vi khuẩn liên kết với thực vật đã được ghi nhận có khả năng khai thác một loại hormone thực vật quan trọng là auxin. Hormone này hiện diện trong tất cả các loài thực vật trên cạn, từ rêu đến cây gỗ và đóng vai trò đa dạng, bao gồm thúc đẩy sinh trưởng và điều chỉnh phản ứng môi trường.

Nhóm nghiên cứu cho rằng P. syringae và nhiều vi khuẩn khác có khả năng “lắng nghe” quá trình tín hiệu của auxin. Khi phát hiện cây tăng cường sản xuất auxin, vi khuẩn đẩy mạnh quá trình tấn công.

Sự giải phóng auxin báo hiệu cho vi khuẩn rằng quá trình tấn công đang diễn ra hiệu quả, khiến chúng nhân lên và trở nên hung hãn hơn”, Kunkel cho biết. “Đây là một cách tinh vi để lợi dụng và thao túng sinh lý của cây”.

Tuy nhiên, một câu hỏi then chốt vẫn còn bỏ ngỏ: Làm thế nào vi khuẩn có thể nhận biết tín hiệu hóa học của cây? Để trả lời, nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington (WashU) đã xem xét kỹ lưỡng bộ máy phân tử và di truyền của P. syringae trong quá trình tấn công cây cải Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), một loài thuộc họ cải, thường được sử dụng trong nhiều nghiên cứu tại WashU cũng như ở các nơi khác. “Chúng tôi bắt đầu tìm kiếm các gen của vi khuẩn có khả năng tham gia vào quá trình cảm nhận auxin, và chúng tôi đã tìm thấy một ứng viên sáng giá”, Lee cho biết.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được một loại protein đặc biệt có tên là PmeR, dường như đáp ứng đúng tiêu chí. Protein này không chỉ có khả năng phát hiện auxin hay cụ thể hơn là một hợp chất liên quan đến auxin mà còn có thể kích hoạt một số gen trong vi khuẩn, khiến chúng trở nên hung hãn và độc hại hơn. “Khi vi khuẩn gián tiếp nhận biết được sự hiện diện của auxin, chúng sẽ thay đổi biểu hiện gen để chuẩn bị thích nghi và tồn tại tốt hơn bên trong cây”, Kunkel cho biết.

Theo Kunkel, hiểu biết này về sự tương tác phức tạp giữa cây trồng và các tác nhân vi khuẩn tấn công có thể mở ra những hướng tiếp cận mới trong việc bảo vệ mùa màng. Hiện chưa có cách rõ ràng nào để nhắm trực tiếp vào protein PmeR trong quần thể vi khuẩn ngoài tự nhiên, và chắc chắn cũng không thể chặn hoặc loại bỏ auxin, hormone giữ vai trò sống còn khỏi cây cà chua hay bất kỳ loài thực vật nào khác. Tuy nhiên, vẫn có thể tồn tại một hướng tiếp cận khác.

Nhóm của Kunkel hiện đang hợp tác với Joe Jez, giáo sư Sinh học Spencer T. Olin, nhằm tìm hiểu liệu có thể khiến các vi khuẩn gây bệnh trở nên ‘mù’ trước auxin hay không.

“Nếu chúng ta hiểu rõ hơn về cách vi khuẩn cảm nhận auxin, chúng ta có thể phát triển một hợp chất bắt chước auxin hoặc các phân tử liên quan đến auxin, nhằm đánh lừa vi khuẩn và ức chế khả năng gây bệnh của chúng”, Kunkel cho biết. “Có lẽ chúng ta có thể phun hợp chất này trực tiếp trên đồng ruộng”.

Trước khi có thể tạo ra được một hợp chất như vậy, các nhà nghiên cứu cần phải hiểu rõ hơn về cấu trúc vật lý của các phân tử liên quan. “Đó chính là lúc Joe tham gia”, Kunkel cho biết. “Ông ấy có các công cụ và sự am hiểu cần thiết để giải mã ngay cả những cấu trúc phức tạp nhất”.

Các nhà nghiên cứu vẫn còn cách khá xa mục tiêu ngăn chặn P. syringae hay các loài vi khuẩn khác trong quá trình tìm kiếm những cây trồng mới để lây nhiễm. Tuy nhiên, việc hiểu rõ hơn các “công cụ” tấn công vẫn là một bước tiến quan trọng và thú vị, Lee cho biết. “Sự giao tiếp giữa vi khuẩn và cây phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta từng nghĩ, nhưng chúng ta đang dần tiến bộ”.

Phạm Thành Nhân theo Đại học Washington.