Nấm rễ nội cộng sinh tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng thông qua việc tái cấu trúc bề mặt tiếp xúc màng giữa cây và tác nhân gây bệnh

Sự đồng xâm nhiễm giữa sinh vật cộng sinh và tác nhân gây bệnh điều hòa các dấu hiệu phosphoinositide tại các giao diện nội bào của cây chủ. Ở cây Nicotiana benthamiana biểu hiện các cảm biến sinh học cho PI4P và PI(4,5)P2, PI(4,5)P2 tập trung mạnh tại vùng chóp của các cấu trúc cộng sinh, nhưng phân bố đồng đều xung quanh các cấu trúc của tác nhân gây bệnh. PI4P không hiện diện trên màng ngoại haustorium của tác nhân gây bệnh, nhưng lại xuất hiện tại các sợi nấm xâm nhiễm và các giao diện cộng sinh. Sự đồng xâm nhiễm kích hoạt quá trình huy động PI4P tại các haustorium của tác nhân gây bệnh, đồng thời làm tăng khả năng kháng của cây đối với P. palmivora. Nguồn: Alex Guyon.

Nấm rễ nội cộng sinh làm tăng khả năng chống chịu của cây trồng thông qua việc tái cấu trúc giao diện màng giữa cây chủ và tác nhân gây bệnh.

Các nhà khoa học đã phát hiện rằng các loài nấm có lợi cư trú ở rễ cây có thể tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng đối với bệnh hại thông qua việc tái cấu trúc màng tế bào thực vật tại các vị trí bị tác nhân gây bệnh xâm nhiễm, qua đó cung cấp những hiểu biết mới quan trọng về cách cây trồng điều phối các cơ chế phòng vệ trong những điều kiện tự nhiên phức tạp.

Nghiên cứu mới này, được công bố trên tạp chí Cell Reports, cho thấy giao diện màng giữa tế bào thực vật và vi sinh vật gây bệnh xâm nhập không phải là một cấu trúc cố định. Thay vào đó, giao diện này có thể được tái định hình bởi các sinh vật cộng sinh cùng cư trú, từ đó làm thay đổi căn bản cách cây trồng tương tác với tác nhân gây bệnh và có khả năng nâng cao tính kháng bệnh của cây.

Hơn 80% các loài thực vật trên cạn, bao gồm nhiều cây trồng nông nghiệp, thiết lập mối quan hệ cộng sinh với nấm rễ cộng sinh (AM) nhằm cải thiện khả năng hấp thu dinh dưỡng. Các loài nấm cộng sinh này cũng được biết đến với vai trò hỗ trợ cây trồng chống lại bệnh hại; tuy nhiên, các cơ chế nền tảng tạo nên tác dụng bảo vệ này cho đến nay vẫn chưa được làm rõ.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sainsbury, Đại học Cambridge (SLCU) đã chứng minh rằng khi rễ cây được nấm AM xâm nhiễm trước, cây trồng sẽ tái cấu trúc hệ thống màng bao quanh các tác nhân gây bệnh xâm nhập vào tế bào sau đó.

Cụ thể, thay vì hình thành màng ngoại haustorium (extrahaustorial membrane – EHM) đặc trưng liên quan đến tác nhân gây bệnh, cây trồng tạo ra một loại màng có các đặc tính tương tự như màng bao quanh nấm AM. Sự chuyển đổi này diễn ra đồng thời với sự gia tăng khả năng kháng bệnh của cây.

Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng nấm rễ cộng sinh (AM) có vai trò ‘tiền kích hoạt’các cơ chế phòng vệ của rễ cây ở cả cấp độ tế bào và phân tử thông qua việc tác động đến thành phần và bản chất của các giao diện màng chuyên biệt này.

Thí nghiệm được tiến hành trên cây Nicotiana benthamiana (một loài thuốc lá), loài cây có khả năng thiết lập mối quan hệ cộng sinh với nấm AM có lợi Funneliformis mosseae và sau đó có thể bị xâm nhiễm bởi tác nhân gây bệnh dạng sợi thuộc nhóm oomycete là Phytophthora palmivora.

Video tua nhanh tổng hợp ghi nhận tín hiệu P24Y liên kết với màng tại vùng chóp của các cấu trúc nấm xâm nhập nội bào trong quá trình chúng phát triển theo thời gian. Nguồn: Alex Guyon.

Cây trồng hình thành các giao diện màng khác nhau để phân biệt “đối tác cộng sinh” và “tác nhân gây hại”

Khi vi sinh vật (có lợi hoặc gây hại) xâm nhập vào tế bào thực vật còn sống, chúng sẽ được bao bọc bởi một lớp màng có nguồn gốc từ cây chủ, lớp màng này tách biệt vi sinh vật khỏi bào tương của tế bào thực vật.

Các màng này đóng vai trò tích cực trong việc điều hòa quá trình trao đổi dinh dưỡng và truyền tín hiệu phân tử giữa cây trồng và vi sinh vật; tuy nhiên, cấu trúc của chúng có sự khác biệt rõ rệt giữa các tương tác cộng sinh và tương tác gây bệnh.

Trong mối quan hệ cộng sinh, nấm cộng sinh hình thành các arbuscule bên trong tế bào rễ, được bao bọc bởi màng quanh arbuscule (periarbuscular membrane – PAM); trong khi đó, các tác nhân gây bệnh dạng sợi tạo ra haustorium được bao quanh bởi màng ngoại haustorium (extrahaustorial membrane – EHM).

Đặc tính PI4P của màng ngoại haustorium bị thay đổi trong rễ được nấm rễ cộng sinh arbuscular (AM) xâm nhiễm. Cây Nicotiana benthamiana được trồng trong điều kiện có nguồn AM đã được hấp tiệt trùng (bên trái) hoặc nguồn AM sống (bên phải) trong vài tuần, sau đó được lây nhiễm với Phytophthora palmivora.

Các loài nấm cộng sinh có lợi đã ‘đảo ngược chiến lược’ bằng cách làm thay đổi giao diện tế bào của cây trồng.

Đây là minh chứng đầu tiên cho thấy nấm rễ cộng sinh arbuscular (AM) có thể làm biến đổi màng ngoại haustorium (EHM) của tác nhân gây bệnh xâm nhập vào sau đó.

Nghiên cứu do tiến sỹ Alex Guyon và giáo sư Sebastian Schornack đồng chủ trì cho thấy nấm AM có khả năng làm lu mờ một cách hiệu quả sự phân biệt vốn có giữa các giao diện cộng sinh và giao diện gây bệnh.

“Chúng tôi nhận thấy chiến lược xâm nhiễm của tác nhân gây bệnh hoàn toàn bị phá vỡ khi có sự hiện diện của sinh vật cộng sinh”, tiến sỹ Guyon đã cho biết, người đã thực hiện nghiên cứu này trong khuôn khổ luận án tiến sỹ của mình. “Trong các rễ cây bị đồng xâm nhiễm, đặc tính màng của tác nhân gây bệnh đã được tái lập trình, với sự xuất hiện của một lipid tín hiệu mới và các protein gắn màng”.

Sự chuyển đổi này diễn ra đồng thời với sự suy giảm đáng kể mức độ xâm nhiễm của tác nhân gây bệnh.

“Những phát hiện này làm thay đổi một cách căn bản quan điểm của chúng ta về miễn dịch thực vật và mối quan hệ cộng sinh”, giáo sư Sebastian Schornack, Trưởng nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Sainsbury Đại học Cambridge (SLCU), đã cho biết. “Chúng cho thấy quá trình cộng sinh đã được thiết lập từ lâu - thông qua việc duy trì một thành phần màng đặc thù - có thể lấn át các nỗ lực thao túng tế bào chủ của tác nhân gây bệnh. Để hiểu đầy đủ cơ chế phân tử này, chúng ta cần vượt ra ngoài các hệ thống chỉ có một vi sinh vật đơn lẻ, nhằm làm sáng tỏ cách cây trồng điều phối các cơ chế phòng vệ khi phải đối mặt với các quần thể vi sinh vật phức tạp trong điều kiện tự nhiên”.

Ý nghĩa của nghiên cứu

Nấm rễ cộng sinh (AM) không chỉ cải thiện khả năng dinh dưỡng của cây trồng mà còn tăng cường hệ thống phòng vệ của cây trước các tác nhân gây bệnh. Việc hiểu rõ cơ chế mà qua đó nấm AM nâng cao tính kháng bệnh mở ra những triển vọng mới trong việc sử dụng các loài nấm có lợi như những tác nhân kiểm soát sinh học tự nhiên, góp phần nâng cao khả năng chống chịu của cây trồng.

Nghiên cứu này làm nổi bật một mặt trận mới trong cuộc tương tác đối kháng giữa cây trồng và tác nhân gây bệnh, cho thấy nấm AM có khả năng tái lập trình các giao diện màng tại vị trí xâm nhiễm. Những hiểu biết này mở ra các hướng tiếp cận đầy hứa hẹn cho việc phát triển các chiến lược trong tương lai nhằm tăng cường khả năng chống chịu của cây trồng thông qua việc khai thác và ứng dụng các vi sinh vật có lợi.

Cách thức tiến hành nghiên cứu

Để phản ánh sát hơn các điều kiện tự nhiên - nơi cây trồng thường bị xâm nhiễm bởi các quần thể vi sinh vật đa dạng và thậm chí từng tế bào riêng lẻ có thể đồng thời chứa nhiều vi sinh vật - nhóm nghiên cứu đã sử dụng Nicotiana benthamiana, một loài thuốc lá mô hình trong nghiên cứu, có khả năng đồng thời thiết lập mối quan hệ với cả nấm rễ cộng sinh và các tác nhân gây bệnh oomycete.

Để theo dõi theo thời gian thực những biến đổi của hệ thống màng tế bào cây chủ, nhóm nghiên cứu đã phát triển và đặc trưng hóa các dòng chỉ thị phospholipid ở N. benthamiana thông qua việc tích hợp các cảm biến sinh học phospholipid. Các cảm biến này trước đó đã được thiết lập trên Arabidopsis thaliana bởi nhóm của Yvon Jaillais tại ENS Lyon.

Nhóm nghiên cứu tập trung khảo sát vai trò của phosphoinositide (PIP) - một nhóm lipid tín hiệu hoạt động như các “dấu hiệu nhận diện” phân tử trên màng tế bào, qua đó quyết định chức năng và trạng thái hoạt động của tế bào.

Trong các điều kiện thí nghiệm được kiểm soát chặt chẽ, nhóm xác nhận rằng hai loại vi sinh vật thiết lập các Đặc tính màng khác nhau.

Cụ thể, nấm cộng sinh AM Funneliformis mosseae được bao quanh bởi một hệ thống màng giàu PI4P.

Ngược lại, tác nhân gây bệnh oomycete Phytophthora palmivora đã loại trừ thành công các thành phần quan trọng của cây chủ - bao gồm PI4P và một protein được myristoyl hóa (thường gắn với màng sinh chất của tế bào chủ) - khỏi màng ngoại haustorium (EHM). Sự loại trừ này được cho là một chiến lược do tác nhân gây bệnh chủ động điều khiển, có khả năng nhằm ức chế các phản ứng miễn dịch của cây trồng.

Đồng xâm nhiễm làm “làm thay đổi cơ chế tương tác”

Phát hiện then chốt của nghiên cứu đến từ việc mô phỏng một kịch bản gần với điều kiện tự nhiên hơn, trong đó rễ cây được nấm cộng sinh xâm nhiễm trước khi bị tác nhân gây bệnh tấn công.

Đáng chú ý, trong các rễ đã được nấm rễ cộng sinh arbuscular (AM) xâm nhiễm trước, thành phần của màng ngoại haustorium (EHM) của tác nhân gây bệnh đã được tái cấu trúc một cách mạnh mẽ. PI4P và các protein được myristoyl hóa xuất hiện xung quanh haustorium của tác nhân gây bệnh, khiến EHM mang đặc điểm tương tự như màng quanh arbuscule (PAM) của sinh vật cộng sinh.

Kết quả này chứng minh rằng đặc tính màng của tế bào chủ không phải là cố định, mà có thể được điều chỉnh linh hoạt bởi hiện tượng đồng xâm nhiễm, từ đó làm thay đổi các đặc tính của giao diện nội bào giữa cây và tác nhân gây bệnh.

Quan trọng hơn, sự thay đổi về đặc tính màng này đi kèm với việc tăng cường khả năng kháng bệnh và làm giảm mức độ xâm nhiễm của Phytophthora palmivora.

Đáng lưu ý, các tế bào rễ lân cận - những tế bào có thể đã từng, nhưng tại thời điểm khảo sát không còn bị nấm AM xâm nhiễm - cũng cho thấy sự thay đổi thành phần màng tại vị trí tác nhân gây bệnh xâm nhập. Tuy nhiên, hiệu ứng này chỉ giới hạn ở rễ và không được ghi nhận ở lá.

Đỗ Thị Nhạn theo Phòng thí nghiệm Sainsbury.