Làm gián đoạn “thông tin” với thực vật có thể hạn chế sự xâm nhiễm của tuyến trùng nang

Tuyến trùng nang. Nguồn: Jane Durkin.

Nhắm vào một điểm yếu mới được phát hiện trong tín hiệu mà tuyến trùng nang sử dụng để xâm nhập rễ cây có thể là một phương pháp đầy hứa hẹn để giảm thiểu thiệt hại do loài giun ký sinh này gây ra ở các cây trồng như đậu nành.

Một nghiên cứu mới từ Đại học Cambridge phối hợp với Trung tâm John Innes, Đại học Bang Iowa và Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ đã mở ra những hướng đi tiềm năng cho việc kiểm soát tuyến trùng nhằm bảo vệ mùa màng và đảm bảo an ninh lương thực.

Những phát hiện này cũng mang tiềm năng áp dụng trong việc giảm bệnh do tuyến trùng ký sinh gây ra trên các sinh vật khác, bao gồm cả động vật.

Tuyến trùng nang là loài ký sinh rễ có tác động lớn đến nền nông nghiệp toàn cầu. Nhiễm bệnh có thể gây mất mùa nghiêm trọng – lên đến 90% ở cây ngũ cốc và 80% ở khoai tây.

Các nhà nghiên cứu đã xác định được một protein duy nhất trong tuyến trùng nang có vai trò kích hoạt hàng chục phân tử được gọi là effector – các phân tử mà tuyến trùng tiết vào rễ cây để xâm chiếm tế bào thực vật và thiết lập môi trường sống thuận lợi cho chúng.

Protein này – một yếu tố phiên mã liên kết với gen để mở hoặc đóng gen – có thể là một trong số các yếu tố điều hòa quá trình sản sinh effector, nhưng khi bị loại bỏ thì mức độ xâm nhiễm của tuyến trùng giảm đến 80%.

Nghiên cứu này được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ngày 10 tháng 3 năm 2025.

Cuộc trao đổi giữa ký sinh và vật chủ

Các effector chính là cơ chế phân tử then chốt trong quá trình tuyến trùng xâm nhập rễ cây.

Sau khi nở trong đất, tuyến trùng bắt đầu đào sâu vào rễ cây. Khi đã vào bên trong, chúng tìm kiếm một tế bào thích hợp để xâm chiếm. Điều đầu tiên chúng làm không phải là ăn, mà là “thông tin”.

Tuyến trùng sử dụng các effector để gửi tín hiệu đến tế bào thực vật, kích thích tế bào biến đổi thành một dạng tế bào hoàn toàn mới, không xuất hiện trong rễ bình thường. Sau đó, các tế bào xung quanh cùng biến đổi và hợp nhất để tạo thành một cơ quan mới, chuyên biệt nhằm nuôi sống tuyến trùng.

Trong nhiều năm qua, các nhà khoa học đã nghiên cứu các effector với hy vọng nhắm vào chúng để giảm sự xâm nhiễm của tuyến trùng. Tuy nhiên, các nỗ lực này giống như trò chơi “đập chuột chũi” – loại bỏ một effector thì không mang lại hiệu quả, do tuyến trùng sản sinh hàng trăm loại effector khác nhau và có khả năng thích nghi nhanh chóng.

Tìm kiếm SUGR-1

Vì việc nhắm đến từng effector riêng lẻ không hiệu quả, các nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu sâu hơn.

Sử dụng dữ liệu từ Đại học Bang Iowa, nhóm nghiên cứu tại Đại học Cambridge đã phát hiện một yếu tố phiên mã trong tuyến dưới thực quản (subventral glands) của tuyến trùng, kích hoạt khi các effector được sản sinh.

Phân tích cho thấy có đến 58 gen effector được kích hoạt bởi yếu tố phiên mã này, được đặt tên là SUGR-1 (Subventral-Gland Regulator 1).

Họ cũng phát hiện rằng SUGR-1 được kích hoạt bởi tín hiệu – gọi là effectostimulin – từ rễ cây, giải thích vì sao nó phản ứng khi tiếp xúc với chiết xuất rễ từ các loài thực vật chủ của tuyến trùng.

“Điều khiến tôi hứng thú nhất ở nghiên cứu này là nó cho thấy một vòng lặp tự khuếch đại thúc đẩy tuyến trùng xâm nhiễm thực vật”, GS. Sebastian Eves-van den Akker, trưởng nhóm nghiên cứu tại Cambridge và là tác giả chính cho biết.

“Chúng phá hủy tế bào thực vật, cảm nhận tín hiệu phát ra và phản ứng theo cách làm tăng khả năng phá vỡ tiếp tế bào chủ”.

SUGR-1 hoạt động như một nhạc trưởng dàn nhạc

GS. Eves-van den Akker ví cơ chế xâm nhiễm này như một dàn nhạc:

“Chúng tôi tìm ra nhạc trưởng – chính là SUGR-1”, ông nói.

“Tuyến trùng dùng nhiều gen để xâm nhập cây. Giống như một dàn nhạc, chỉ khi tất cả cùng hoạt động mới tạo nên âm nhạc”.

“Chúng tôi biết các gen xâm nhiễm được điều phối một cách tập thể – và rằng phải có một ‘người điều phối’ đứng sau. Ý tưởng về ‘nhạc trưởng’ đã manh nha từ tám năm trước và trở thành trụ cột trong nghiên cứu của phòng thí nghiệm Cambridge”.

Nó có thể hoạt động như thế nào ở ngoài đồng ruộng

Hiện tại, luân canh cây trồng và giống cây kháng tuyến trùng là hai biện pháp kiểm soát chính. Tuy nhiên, hiểu biết sâu hơn về cách tuyến trùng “đánh lừa” cây trồng sẽ giúp mở rộng bộ công cụ kiểm soát này.

“Một chiến lược đầy hứa hẹn là loại bỏ tín hiệu kích hoạt sản xuất effector”, NCS. Anika Damm, đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Các công ty giống có thể phát triển các giống cây có hàm lượng effectostimulin thấp hơn, bằng chọn giống truyền thống hoặc công nghệ chỉnh sửa gen. Một hướng khác là tạo giống cây sản sinh RNA ngăn cản tuyến trùng sản xuất SUGR-1 khi hấp thụ.

“Không nhất thiết phải tiêu diệt toàn bộ tuyến trùng. Chỉ cần giảm 40% mức độ nhiễm là đã rất đáng kể rồi – điều đó có thể làm giảm thiệt hại mùa màng đáng kể”. GS. Thomas Baum, Đại học Bang Iowa, chia sẻ.

‘Chỉ là sự khởi đầu’

Các GS. Eves-van den Akker và Baum dự kiến sẽ tiếp tục hợp tác trong nghiên cứu tuyến trùng nang.

“Chúng tôi đã có một mối hợp tác hiệu quả nhiều năm nay”, GS. Baum cho biết.

“Nếu bạn vẽ ra mô hình cộng tác khoa học lý tưởng, thì đây chính là ví dụ tiêu biểu. Chúng tôi cùng chia sẻ, bổ trợ cho nhau để đạt được những tiến bộ có lợi cho cả hai bên”.

Các nhà nghiên cứu kỳ vọng những nghiên cứu tiếp theo sẽ hé lộ thêm về cơ chế di truyền và phân tử trong sản xuất effector, mở ra nhiều hướng can thiệp vào quá trình “thông tin” then chốt giữa tuyến trùng và vật chủ thực vật.

“SUGR-1 chỉ là mục tiêu đầu tiên nổi bật nhất. Nhưng chúng tôi biết vẫn còn nhiều cái khác. Đây mới chỉ là khởi đầu”.

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Cambridge.