Liệu những cải tiến công nghệ sinh học này có thể ngăn chặn hành trình phá hại của kẻ hủy diệt ngũ cốc không?

Hình mô phỏng bằng máy tính về phức hợp cấu trúc giữa vùng HMA của thụ thể ở lúa mì và phân tử hiệu ứng. Thụ thể lúa mì Rwt7 nằm ở bên trái, trong đó các axit amin tại bề mặt tương tác được biểu diễn bằng những quả cầu màu; còn phân tử hiệu ứng Pwt7 của nấm đạo ôn Magnaporthe oryzae nằm ở bên phải. Nguồn: Daniel Yu, Trung tâm John Innes.

Một sự hợp tác nghiên cứu do các nhà khoa học Anh dẫn đầu đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong nỗ lực toàn cầu nhằm bảo vệ cây trồng khỏi sự tàn phá của mầm bệnh đạo ôn.

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm John Innes đã khám phá một nhóm thụ thể phòng vệ mới được phát hiện gần đây ở thực vật, cho thấy ở cấp độ phân tử cách các thụ thể này hoạt động để hạn chế sự tấn công của tác nhân gây bệnh đạo ôn và cho thấy cách chúng có thể được cải tiến bằng kỹ thuật sinh học nhằm tạo ra khả năng miễn dịch rộng hơn và bền vững hơn ở lúa mì, lúa mạch và lúa gạo.

Giáo sư Mark Banfield, trưởng một nhóm nghiên cứu tại Trung tâm John Innes và là đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã phát hiện ra một vài điều có thể mở đường cho một biện pháp can thiệp tiềm năng nhằm kiểm soát căn bệnh nguy hiểm nhất do nấm gây ra trên các loại cây ngũ cốc”, nghiên cứu này được thực hiện với sự hợp tác của các nhà nghiên cứu tại Đại học Kobe, Nhật Bản.

Nấm đạo ôn, Magnaporthe oryzae, là tác nhân gây bệnh nghiêm trọng nhất trên lúa trồng và đã lan rộng sang lúa mì và lúa mạch ở một số khu vực thuộc châu Á và châu Phi, điều này có nghĩa là việc tìm ra những giải pháp đột phá để ngăn chặn loại nấm này là vô cùng cần thiết đối với an ninh lương thực toàn cầu.

Để gây bệnh cho thực vật, các mầm bệnh như Magnaporthe oryzae chèn các phân tử hiệu ứng vào tế bào lá và thân cây nhằm thay đổi hoạt động của cây chủ và thúc đẩy bệnh phát triển.

Thực vật có các thụ thể có khả năng nhận diện những phân tử hiệu ứng là các phân tử ngoại lai và kích hoạt phản ứng miễn dịch gây ra hiện tượng chết tế bào cục bộ nhằm hạn chế sự lây lan của tác nhân gây bệnh từ bên trong tế bào ra khắp cây.

Trong hơn 30 năm qua, một khối lượng nghiên cứu đáng kể đã tập trung vào một nhóm thụ thể miễn dịch được gọi là các thụ thể liên kết nucleotide và giàu leucine (NLRs), nhóm thụ thể này đóng vai trò tiên phong trong việc giúp con người hiểu rõ phản ứng miễn dịch của thực vật đối với bệnh đạo ôn và các bệnh khác.

Trong những năm gần đây, các nghiên cứu ngày càng tập trung vào một nhóm thụ thể miễn dịch nội bào mới được phát hiện ở cây ngũ cốc được gọi là protein kinase kép, viết tắt là TKPs.

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng TKPs có thể chứa một vùng liên kết tích hợp với kim loại nặng (HMA), một đặc điểm cũng được nhìn thấy ở một số thụ thể NLRs và đã được chứng minh là đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện phân tử hiệu ứng và kích hoạt phản ứng miễn dịch.

Giáo sư Banfield cho biết: “Điều này đã khơi dậy sự quan tâm của chúng tôi. Nếu có thể cải biến các vùng HMA tích hợp này để tạo ra những đặc tính mới bằng cách thay đổi các axit amin trong protein tại vị trí mà các phân tử hiệu ứng liên kết, chúng ta có thể tạo ra những đặc tính nhận diện mới - và khả năng hình thành một tuyến phòng thủ mới giúp thực vật chống lại bệnh tật”.

Trong nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Advances, nhóm nghiên cứu đã sử dụng phân tích lý sinh và kỹ thuật tinh thể học để làm sáng tỏ ở độ phân giải cao sự tương tác về mặt cấu trúc giữa các vùng HMA và các phân tử hiệu ứng của tác nhân gây bệnh đạo ôn.

Nghiên cứu cho thấy các vùng HMA đóng vai trò then chốt trong TKPs bằng cách hoạt động như những mồi nhử sinh học để thu hút các phân tử hiệu ứng của tác nhân gây bệnh.

Dựa trên những hiểu biết về cấu trúc này, nhóm nghiên cứu đã cải biến thành công các thụ thể miễn dịch TKP bằng kỹ thuật sinh học, giúp chúng có khả năng nhận diện kép, tức là có thể liên kết với các protein hiệu ứng liên quan đến quá trình lây nhiễm ở cả lúa mì và lúa mạch. Đây là một đặc tính hiếm khi xuất hiện trong tự nhiên.

Bằng việc chứng minh rằng các TKP có thể được cải biến bằng kỹ thuật sinh học, nghiên cứu này đã tạo tiền đề cho những nghiên cứu sâu hơn về nhiều TKPs mới được phát hiện gần đây ở các loài cây ngũ cốc khác nhau, với tiềm năng thiết kế theo yêu cầu các thụ thể kháng bệnh mới, có khả năng phản ứng đồng thời với nhiều phân tử hiệu ứng.

Những thí nghiệm chứng minh tính khả thi của nguyên lý này được thực hiện trên các tế bào trần, những tế bào lúa mì riêng lẻ được dùng làm mô hình thay thế cho mô của cây hoàn chỉnh. Bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu là chuyển các kết quả thu được từ những thử nghiệm trên mô hình thay thế sang thử nghiệm trên cây được trồng trong nhà kính.

Tiến sỹ Daniel Yu, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy nhóm protein kháng bệnh mới này có thể được cải biến cho các mục đích kỹ thuật. Giờ đây, chúng tôi biết rằng những công cụ trước đây được sử dụng để cải biến các thụ thể NLR cũng có thể có hiệu quả đối với nhóm protein mới này”.

Những hiểu biết nền tảng về sự liên kết giữa phân tử hiệu ứng và thụ thể có thể được bổ sung và nâng cao nhờ các công nghệ khác, chẳng hạn như chọn giống chính xác và ứng dụng trí tuệ nhân tạo, có thể hỗ trợ việc cải biến các vùng HMA với những đặc tính nhận diện mới.

Giáo sư Banfield cho biết: “Chúng tôi cho rằng hai nhóm thụ thể miễn dịch này, NLRs và TKPs, có thể được kích hoạt theo những cơ chế khác nhau. Điều này mở ra khả năng tạo nên hệ miễn dịch mạnh mẽ và ổn định hơn cho cây trồng trong điều kiện đồng ruộng, bởi chúng ta không đặt tất cả trứng vào cùng một giỏ. Trong tương lai xa hơn, chúng ta có thể sử dụng các kỹ thuật để kết hợp những gen mã hóa TKPs và NLRs nhằm chống lại cùng một loại bệnh, tạo ra giống cây trồng có khả năng kháng bệnh vượt trội. Vì TKP và NLR kích hoạt hệ miễn dịch theo những cơ chế khác nhau, tác nhân gây bệnh có thể sẽ khó tiến hóa để né tránh cả hai cơ chế này”.

Mỗi năm, bệnh đạo ôn gây thiệt hại một lượng lớn lúa gạo đủ để nuôi sống 60 triệu người. Trên cây lúa mì, nấm đạo ôn lần đầu tiên được phát hiện tại Brazil vào những năm 1980 và kể từ đó đã lan sang châu Á và châu Phi. Hiện loại nấm này chưa xuất hiện tại Anh, nhưng tình trạng biến đổi khí hậu đồng nghĩa với việc nó có thể trở thành mối đe dọa đối với hoạt động sản xuất ngũ cốc ở Bắc Âu trong tương lai.

Trương Thị Tú Anh theo Trung tâm John Innes.