Một phân tử đơn lẻ có thể ảnh hưởng quá trình cộng sinh của vi khuẩn và nấm

Hình ảnh huỳnh quang cho thấy vi khuẩn M. rhizoxinica (màu xanh lá) được bao bọc trong các phân nhánh của sợi nấm (màu xanh dương). Nguồn: Ingrid Richter/Leibniz-HKI.

Một nghiên cứu mới về sự cùng tồn tại của vi khuẩn và nấm cho thấy quá trình cộng sinh hoạt động cùng nhau phát triển có thể rất mong manh. Các nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Sản phẩm Tự Nhiên và Sinh học Truyền nhiễm Leibniz (Leibniz-HKI) ở Jena đã phát hiện ra rằng loài vi khuẩn Mycetohabitans rhizoxinica chỉ sống khỏe mạnh trong sợi nấm Rhizopus microsporus khi vi khuẩn này tạo ra một loại protein nhất định. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Current Biology.

Trong quá trình cộng sinh, hai sinh vật kết hợp với nhau và cùng phát triển; trong nội cộng sinh, một trong các sinh vật sử dụng phương thức này để sống bên trong sinh vật kia. Trong một số trường hợp, chúng không thể thiếu nhau, chẳng hạn như nấm Rhizopus microsporus và vi khuẩn Mycetohabitans rhizoxinica (trước đây gọi là (Para) burkholderia rhizoxinica).

Loại nấm này có thể gây ra bệnh cháy lá lúa, dẫn đến thiệt hại lớn về mùa màng ở châu Á hàng năm. Tuy nhiên, R. microsporus chỉ có thể làm điều này với M. rhizoxinica: vi khuẩn tạo ra độc tố thực vật được sản xuất và giải phóng ra từ nấm. Không có vi khuẩn, nấm không thể hình thành bào tử và lây lan hiệu quả được. Đổi lại, nó cung cấp chất dinh dưỡng cho quá trình nội cộng sinh.

Ingrid Richter là nghiên cứu sau tiến sỹ tại Khoa Hóa học Phân tử Sinh học tại Leibniz-HKI giải thích: “Trong tự nhiên, cả hai luôn sống cộng sinh. Tuy nhiên, trong phòng thí nghiệm các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc nuôi cấy chúng một cách riêng biệt. Kết quả là chúng tôi biết rằng vi khuẩn vẫn có khả năng lây nhiễm nấm”.

Từ mối quan hệ ký sinh chuyển thành mối quan hệ cộng sinh?

Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một loại protein vi khuẩn đặc hiệu hay chính xác hơn là protein tác động duy trì sự cộng sinh. Nếu các nhà nghiên cứu vô hiệu hóa cái gọi là TAL effector 1 (MTAL1) thì vi khuẩn sẽ nhân lên không kiểm soát được và kết quả là nấm sẽ đóng các phân nhánh của sợi nấm bằng thành tế bào mới. Các vi khuẩn hiện đang bị mắc kẹt sau đó sẽ chết. Richter cho biết: “Những tác nhân TAL effector này được biết đến từ nhiều loại vi khuẩn lây nhiễm thực vật khác nhau, nơi chúng cho phép vi khuẩn xâm nhập vào tế bào thực vật”.

Trong trường hợp của R. microsporus và M. rhizoxinica, mối quan hệ ký sinh ban đầu có thể đã chuyển thành mối quan hệ cộng sinh. Thật vậy, nếu không có sự tác động của protein, vi khuẩn có thể tiếp tục lây nhiễm nấm – nghĩa là chúng “phân giải” thành tế bào và xâm nhập vào sợi nấm. Tuy nhiên, sau đó chúng được coi là ký sinh của nấm. Chỉ khi có mặt TAL effector thì sự cộng sinh mới ổn định. Richter nhận định: “Điều này cho thấy sự chuyển đổi linh hoạt giữa mối quan hệ cộng sinh cùng phát triển cho cả hai bên và mối quan hệ ký sinh có thể gây bất lợi cho một bên”.

Phần cuối của nghiên cứu là quan sát bằng kính hiển vi

Để có thể quan sát kỹ hơn quá trình lây nhiễm, các nhà nghiên cứu đã phát triển một hệ thống khá tinh vi: họ nuôi cấy nấm trong các chip vi lưu với các kênh rất hẹp. Trong một kênh, chỉ có không gian cho một sợi nấm duy nhất. Sau đó, họ thêm vi khuẩn và quan sát quá trình lây nhiễm dưới kính hiển vi trong vài giờ.

Richter giải thích: “Do kết cấu, các phân nhánh của sợi nấm không mọc chồng lên nhau, vì vậy chúng tôi có thể thấy chính xác điều gì đang xảy ra”. Ví dụ, tác giả đã chỉ ra rằng nấm xây dựng thêm các vách ngăn trong sợi nấm khi tắt yếu tố TAL effector – và rằng có một số lượng lớn vi khuẩn đặc hiệu riêng biệt trong các khu vực được phân tách theo cách này. “Bằng cách sử dụng một số loại thuốc nhuộm, chúng tôi có thể thấy vi khuẩn bị mắc kẹt sẽ chết sau vài giờ”.

Hiện các nhà nghiên cứu muốn nghiên cứu sâu hơn về các quá trình tế bào được kích hoạt bởi sự tác động của protein. Richter phát biểu: “Chúng tôi nghi ngờ TAL effector gắn trong bộ gen của nấm, bởi vì đó chính là protein điển hình cho các protein này – nhưng chúng tôi không biết chính xác ở đâu”. Một lý do là bộ gen của R. microsporus vẫn chưa được giải mã hoàn toàn.

Kết quả nghiên cứu cung cấp những hiểu biết mới về quan hệ đối tác nội cộng sinh đóng vai trò chính trong quá trình tiến hóa. Ví dụ, ty thể ngày nay là bộ máy cung cấp năng lượng trong tế bào thực vật, động vật và nấm, nội cộng sinh có thể là nguồn gốc ban đầu. Chúng có DNA của riêng mình, nhưng từ lâu đã không thể tồn tại độc lập – không giống như M. rhizoxinica. Richter bổ sung: “Thêm vào đó, thông qua việc quan sát kỹ lưỡng bằng kính hiển vi, chúng tôi đã biết được khá nhiều về nhiệm vụ của các phân nhánh khác nhau trong sợi nấm, ví dụ như nhiệm vụ vận chuyển chất dinh dưỡng”.

Bùi Thị Huyền Nhung theo Phys.org