Nghiên cứu mới cho thấy sự biến đổi protein pro1 làm cho nấm đạo ôn phát triển mạnh

Sự biến đổi của protein Pro1 thúc đẩy phương thức sinh sản vô tính và do đó, mang lại ‘lợi ích' cho nấm đạo ôn bằng cách gây ra hiện tượng vô sinh cái. Nguồn: Takashi Kamakura từ Đại học Khoa học Tokyo.

'Trái ngược với sinh sản hữu tính' được đề cập đến lý do tại sao phương thức sinh sản hữu tính lại phổ biến hơn ở các sinh vật so với phương thức vô tính.

Sinh sản hữu tính cần ít nhất hai giới tính, nguyên nhân khiến các cá thể có nguy cơ mắc bệnh cao hơn và tốn nhiều năng lượng hơn. Ngược lại, sinh sản vô tính bù đắp cho tất cả những nhược điểm này bằng cách chỉ cần một bố hoặc mẹ trong khi vẫn cho phép tạo ra thế hệ con cái nhanh chóng. Hiện tại, 'nghịch lý' này đã được củng cố bởi những phát hiện từ một nghiên cứu mới về một loài nấm gây bệnh lây nhiễm nhiều loại cây ngũ cốc, chẳng hạn như lúa, lúa mì, lúa mạch và kê ngón tay.

Pyricularia (Magnaporthe) oryzae, một loài nấm sợi gây bệnh, tàn phá sản xuất lúa gạo toàn cầu vì nó gây ra bệnh đạo ôn, khiến nó có biệt danh là 'nấm đạo ôn'. Chu kỳ lây nhiễm bắt đầu bằng sinh sản vô tính, trong đó các bào tử vô tính được gọi là 'conidia' bám vào bề mặt lá của cây lúa.

Điều này tạo ra một cấu trúc đặc biệt cho sự xâm nhiễm được gọi là apppressorium (tạo ra đầu mút của ống nấm phình to, là nơi tạo ra một áp suất lớn nhằm tạo điều kiện cho vòi xâm nhiễm vào trong biểu bì của lá), cấu trúc này bắt đầu xâm nhập vào lớp tế bào ngoài cùng của lá, dẫn đến các tổn thương có thể nhìn thấy trên bề mặt lá. Khi điều kiện thuận lợi, các cấu trúc chuyên biệt gọi là cành bào tử đính xuất hiện và tạo ra nhiều bào tử đính condia hơn, phân tán qua gió hoặc các giọt khí quyển đến nhiều cây lúa hơn.

Mặc dù phương thức sinh sản vô tính này là phương thức chính trong vòng đời của nấm P. oryzae, nhưng các nhà khoa học đã chứng minh khả năng sinh sản hữu tính thành công của loại nấm này trong môi trường phòng thí nghiệm. Loại nấm này dường như có các chủng tương đương với đực sinh học và cái sinh học. Tuy nhiên, hầu hết các mẫu được thu thập từ các cánh đồng cho thấy sự mất khả năng sinh sản của con cái. Các gen và cơ chế cơ bản chịu trách nhiệm về việc mất khả năng sinh sản hữu tính ở P. oryzae vẫn còn là một bí ẩn.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Khoa học Tokyo, Tổ chức Nghiên cứu Nông nghiệp và Thực phẩm Quốc gia, và Đại học Nông nghiệp và Công nghệ Tokyo, Nhật Bản, gần đây đã phát hiện ra bằng chứng về sự mất khả năng sinh sản hữu tính có lợi này ở nấm đạo ôn.

Nhóm nghiên cứu do giáo sư Takashi Kamakura và phó giáo sư Takayuki Arazoe, từ Khoa Khoa học Sinh học Ứng dụng tại Đại học Khoa học Tokyo, dẫn đầu. Nghiên cứu của họ đã được công bố trên iScience.

Về tiền đề của nghiên cứu, giáo sư Kamakura giải thích: "Nhiều loài nấm đã bỏ qua sinh sản hữu tính, điều này không phù hợp với lợi thế tiến hóa của giới tính và thúc đẩy nghịch lý giới tính. Trong tương lai, nghiên cứu này cũng sẽ giúp nhân giống các chủng công nghiệp hữu ích hoặc hiểu cách mầm bệnh phản ứng với các đột biến bằng cách giải thích sự đa dạng có được ở nấm".

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều thí nghiệm di truyền để xác định gen nào có liên quan đến tình trạng vô sinh cái. Các dòng bố mẹ từ các dòng P. oryzae phân lập được lai tạo để tạo ra thế hệ con P. oryzae có khả năng sinh sản cái và cái bất thụ.

Các phân tích di truyền sâu hơn đã cho thấy rằng các đột biến dẫn đến rối loạn chức năng protein Pro1 (liên quan đến sự biểu hiện của các gen liên quan đến giao phối ở nấm sợi) gây ra hiện tượng bất thụ cái ở nấm đạo ôn.

Tiến sỹ Arazoe cho biết thêm: "Thật ngạc nhiên, Pro1 bị rối loạn chức năng đã làm tăng sự giải phóng bào tử đính (conidia) nhưng không ảnh hưởng đến khả năng gây bệnh của nấm P. oryzae. Chúng tôi cũng tìm thấy các đột biến Pro1 ở các chủng phân lập xâm nhiễm trên lúa mì, có nguy cơ lây lan trên toàn thế giới (đại dịch) - phát hiện điều đó cho thấy một sự tiến hóa tương tự (mất khả năng sinh sản hữu tính) đã xảy ra ở nấm đạo ôn lúa mì". Dựa trên những kết quả này, nhóm nghiên cứu đã đi đầu trong việc xác định và mô tả đặc điểm của các gen khác gây ra tình trạng vô sinh cái ở các loài nấm.

Giải thích ý nghĩa rộng lớn hơn của công trình này, giáo sư Kamakura kết luận: "Chúng tôi đã cung cấp bằng chứng đầu tiên cho thấy việc mất khả năng sinh sản của con cái có thể là một lợi thế thích nghi đối với tác nhân gây bệnh thực vật này. Việc phát tán bào tử vô tính tạo điều kiện cho sự phát tán trong tự nhiên. Công trình này cũng mở ra những cánh cửa để nghiên cứu sự đa dạng, một khía cạnh quan trọng khác của sự thích nghi, đã thu được ở những giống sinh sản vô tính".

Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org