Phân tích biểu hiện gen mở ra hướng nghiên cứu chọn tạo giống sắn chống chịu bệnh thối củ

Sắn là cây trồng quan trọng tại nhiều quốc gia nhiệt đới, đặc biệt ở những vùng có điều kiện đất đai và khí hậu không thuận lợi cho các cây trồng khác. Tuy nhiên, sản xuất sắn đang đối mặt với nhiều loại sâu bệnh hại, trong đó bệnh thối củ do các tác nhân gây bệnh tồn tại trong đất là một trong những vấn đề ảnh hưởng nghiêm trọng nhất. Bệnh có thể làm thối hỏng hệ thống rễ củ, giảm năng suất và chất lượng củ tươi, thậm chí gây mất trắng khi ruộng bị nhiễm nặng. Việc quản lý bệnh gặp nhiều khó khăn do các tác nhân gây bệnh có khả năng tồn tại lâu dài và phát triển mạnh trong đất. Vì vậy, sử dụng giống có khả năng chống chịu được xem là giải pháp hiệu quả và bền vững trong quản lý bệnh thối củ sắn.

Triệu chứng bệnh thối củ Sắn trên đồng ruộng ở Tây Ninh, 2025.

Một nhóm nghiên cứu tại Brazil đã công bố nghiên cứu “Comparative analysis of infected cassava root transcriptomics reveals candidate genes for root rot disease resistance” trên tạp chí Scientific Reports về việc sử dụng công nghệ giải trình tự RNA (RNA-Seq) để phân tích sự biểu hiện gen của hai kiểu gen sắn có phản ứng tương phản với bệnh thối củ: Giống BRS Kiriris có khả năng chống chịu và dòng BGM-1345 rất mẫn cảm với bệnh. Các cây sắn được trồng trong đất nhiễm tác nhân gây bệnh và đất đã khử trùng để làm đối chứng. Nhóm nghiên cứu thu thập mẫu ở các thời điểm khác nhau sau khi trồng, nhằm theo dõi sự thay đổi hoạt động của gen trong quá trình tương tác giữa cây sắn và tác nhân gây bệnh. Phân tích tập trung vào phức hợp tác nhân gây bệnh thối củ khô và thối củ đen.

Diễn biến khối lượng rễ tươi của hai kiểu gen sắn BRS Kiriris (chống chịu) và BGM-1345 (mẫn cảm) khi trồng trong đất nhiễm bệnh. Nguồn: Hohenfeld và cộng sự (2024).

Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai kiểu gen. Dòng BGM-1345 bắt đầu xuất hiện triệu chứng vàng lá và héo sau khoảng 20 ngày, sau đó cây chết vào khoảng 30 ngày sau khi trồng trong đất nhiễm bệnh. Ngược lại, giống BRS Kiriris không biểu hiện triệu chứng trên lá và vẫn duy trì sự phát triển của bộ rễ. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn phát hiện sợi nấm và bào tử tồn tại trong rễ của BRS Kiriris, cho thấy giống này có khả năng hạn chế sự phát triển của bệnh chứ không hoàn toàn miễn nhiễm với tác nhân gây bệnh.

Thông qua phân tích RNA-Seq, nhóm nghiên cứu xác định 23.912 gen được đưa vào phân tích biểu hiện. Số lượng gen biểu hiện khác biệt giữa hai kiểu gen thay đổi theo thời điểm đánh giá. Ở giai đoạn đầu của quá trình tương tác, chỉ có 15 gen biểu hiện khác biệt trong khi ở giai đoạn cuối, con số này tăng lên 366 gen. Kết quả cho thấy phản ứng của cây sắn đối với tác nhân gây bệnh có sự thay đổi theo thời gian và liên quan đến nhiều quá trình sinh học khác nhau. Từ kết quả phân tích, nhóm tác giả lựa chọn 18 gen ứng viên có khả năng tham gia vào cơ chế chống chịu bệnh thối củ. Các gen này liên quan đến nhiều cơ chế bảo vệ của cây, bao gồm củng cố thành tế bào, điều hòa tín hiệu phòng vệ, phản ứng với tác nhân gây bệnh và kiểm soát stress oxy hóa. Trong đó, hai gen đáng chú ý là MLP-like protein 31 và Peroxidase A2-like, có liên quan đến phản ứng phòng vệ và khả năng đáp ứng của cây khi bị tác nhân gây bệnh tấn công. Nhóm nghiên cứu tiếp tục kiểm tra biểu hiện của 18 gen bằng phương pháp qRT-PCR. Kết quả xác nhận được sự biểu hiện của 8 gen ứng viên, trong đó có MLP-like protein 31 và Peroxidase A2-like. Những kết quả này góp phần củng cố cơ sở khoa học về sự khác biệt trong cơ chế phản ứng giữa kiểu gen chống chịu và kiểu gen mẫn cảm.

Biểu hiện tương đối của các gen ứng viên liên quan đến cơ chế phòng vệ ở hai kiểu gen sắn BRS Kiriris và BGM-1345 tại các thời điểm 15 ngày sau khi gây nhiễm tác nhân gây bệnh thối củ. Nguồn: Hohenfeld và cộng sự (2024).

Nghiên cứu đề xuất mô hình cơ chế chống chịu bệnh thối củ ở cây sắn, trong đó khả năng bảo vệ cây có sự tham gia phối hợp của nhiều gen và quá trình sinh học. Các cơ chế này bao gồm tăng cường cấu trúc thành tế bào, sản sinh các hợp chất liên quan đến phản ứng phòng vệ, điều hòa tín hiệu hormone và kích hoạt các phản ứng miễn dịch của cây. Điều này cho thấy khả năng chống chịu bệnh thối củ có thể là đặc tính di truyền số lượng, chịu ảnh hưởng của nhiều gen thay vì chỉ do một gen riêng lẻ quyết định. Việc xác định các gen ứng viên tạo cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm phát triển chỉ thị phân tử liên kết với khả năng chống chịu bệnh, hỗ trợ sàng lọc nguồn gen và các quần thể phân ly trong chương trình chọn tạo giống. Tuy nhiên, các gen được xác định trong nghiên cứu hiện vẫn là gen ứng viên và cần tiếp tục được kiểm chứng trên nhiều nguồn vật liệu di truyền, điều kiện gây nhiễm và môi trường khác nhau trước khi ứng dụng rộng rãi.

Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng hiểu biết về cơ chế chống chịu bệnh thối củ ở cây sắn, đồng thời cung cấp định hướng mới cho việc kết hợp công nghệ sinh học phân tử với phương pháp chọn giống truyền thống nhằm phát triển các giống sắn có khả năng chống chịu bệnh tốt hơn, góp phần ổn định năng suất và nâng cao tính bền vững của sản xuất sắn.

Nguyễn Ngọc Hùng theo Scientific Reports.