Pheromone của tuyến trùng kích hoạt khả năng phòng vệ của thực vật chống lại tác nhân gây bệnh

Nguồn: Boyce Thompson Institute (BTI), 2026.

Khi mùa cảm cúm đến, chúng ta thường thực hiện các biện pháp như tiêm vắc-xin cúm và sử dụng các sản phẩm hỗ trợ miễn dịch nhằm tăng cường khả năng phòng vệ của cơ thể trước các tác nhân gây bệnh. Thực vật cũng phải đối mặt với những mối đe dọa từ các tác nhân gây bệnh. Các tác nhân gây bệnh trên thực vật có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất cây trồng; ước tính mỗi năm có tới 40% sản lượng cây lương thực trên toàn cầu bị mất do các nguyên nhân liên quan đến dịch bệnh. Những tổn thất này gây ra những hệ quả nghiêm trọng đối với an ninh lương thực. Nhưng liệu chúng ta có thể tăng cường hệ thống miễn dịch của thực vật tương tự như cách chúng ta tăng cường hệ miễn dịch của con người, từ đó giúp cây có khả năng chống chịu hoặc ngăn chặn tốt hơn các mối đe dọa sinh học hay không?

Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Communications Biology, các nhà khoa học tại Boyce Thompson Institute (BTI) đã phát hiện ra một hợp chất tự nhiên chưa từng được biết đến trước đây có khả năng bảo vệ cây trồng lâu dài trước nhiều loại mầm bệnh.

Nghiên cứu tập trung vào một nhóm pheromone của tuyến trùng có tên là ascaroside, được thực hiện dưới sự dẫn dắt của giáo sư danh dự Dan Klessig và giáo sư Frank Schroeder thuộc BTI, cùng với tiến sỹ Murli Manohar (cả ba đều là đồng sáng lập công ty khởi nghiệp Ascribe Bioscience thuộc BTI) và giáo sư Uwe Conrath tại Đại học RWTH Aachen (Đức).

Tiến sỹ Schroeder giải thích: "Trước đây, phòng thí nghiệm của tôi đã chứng minh rằng tuyến trùng — loài sinh vật có mặt ở khắp nơi trong đất, bao gồm nhiều loài ký sinh trên động vật và thực vật — sản sinh ra các glycolipid đơn giản gọi là ascaroside. Vì ascaroside liên kết đặc trưng và nhất quán với tuyến trùng, chúng tôi tự hỏi liệu các sinh vật khác có nhận diện được chúng như một ‘dấu hiệu phân tử’ cảnh báo mối đe dọa từ tuyến trùng hay không. Đặc biệt, chúng tôi tò mò liệu ascaroside có tác động đến khả năng miễn dịch của thực vật hay không. Kết quả cho thấy hệ miễn dịch thực vật thực sự có phản ứng với ascaroside, dù ban đầu cơ chế phản ứng cụ thể vẫn chưa rõ ràng".

Trong các nghiên cứu trước đó về tương tác giữa thực vật và tuyến trùng, một loại ascaroside nổi bật nhờ khả năng kích hoạt các phản ứng phòng vệ đặc trưng của cây: ascaroside 18 (ascr#18). Việc nhận biết ascr#18 giúp cây trồng bước vào trạng thái cảnh giác miễn dịch cao hơn, tăng khả năng chống chịu trước các mầm bệnh do vi khuẩn, virus, nấm và tuyến trùng gây ra.

Tuy nhiên, đây không đơn thuần là một phản ứng miễn dịch phòng ngừa sớm. Tiến sỹ Klessig phân tích: "Khi một loài thực vật kích hoạt phản ứng miễn dịch toàn diện, quá trình này phải trả giá bằng sự suy giảm về sinh trưởng. Chúng phải chuyển hướng năng lượng từ sinh trưởng và phát triển sang tập trung chiến đấu với mầm bệnh. Nhưng khi xử lý bằng ascr#18, chúng tôi không thấy hiện tượng đó. Ascr#18 không gây ra phản ứng miễn dịch toàn phần; thay vào đó, nó phát tín hiệu báo động để cây chuẩn bị sẵn sàng, giúp cây phản ứng nhanh và mạnh mẽ hơn khi mầm bệnh thực sự tấn công. Cơ chế này mang lại cho thực vật 'trí nhớ miễn dịch' mà không phải trả giá bằng sự suy giảm sinh trưởng do đáp ứng miễn dịch".

Khái niệm này được gọi là "mồi miễn dịch" (immune priming), tương tự như cách vắc-xin chuẩn bị cho hệ miễn dịch của con người phản ứng nhanh trước các mầm bệnh cụ thể.

Tiến sỹ Conrath giải thích thêm: "Từ các nghiên cứu ban đầu, chúng tôi biết việc tiếp xúc với ascr#18 giúp tăng sức đề kháng trước mầm bệnh, nhưng chưa rõ cơ chế phân tử phía sau. Giờ đây, chúng tôi nhận thấy ascr#18 'mồi' cây trồng bằng cách tạo ra các biến đổi ở cấp độ chất nhiễm sắc (chromatin). Những thay đổi này thiết lập trạng thái trí nhớ miễn dịch lâu dài bằng cách tăng khả năng tiếp cận của bộ máy phiên mã tới các gen phòng vệ, giúp chúng được kích hoạt nhanh hơn khi bị nhiễm bệnh".

Hiệu quả mồi miễn dịch thông qua ascr#18 đã được ghi nhận trên nhiều loại cây trồng nông nghiệp quan trọng. Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi khi đưa ra đồng ruộng: việc phun dung dịch lên lá giúp giảm mức độ nghiêm trọng của bệnh nấm và cải thiện năng suất ở ngô và đậu tương.

Đặc biệt, chỉ cần ngâm hạt giống trong dung dịch ascr#18 là đủ để "mồi" cho cây tăng cường khả năng tự vệ trong các giai đoạn phát triển sau này. Khác với các biện pháp điều trị buộc phải phun ngay trước hoặc trong khi mầm bệnh bùng phát, phương pháp xử lý hạt giống này mang lại lợi ích miễn dịch bền vững ngay từ đầu mùa vụ.

"Nhu cầu về công nghệ này hiện nay là cực kỳ lớn", tiến sỹ Manohar nhấn mạnh. "Chúng ta đã áp dụng các chiến lược nhắm trực tiếp vào mầm bệnh thực vật từ rất lâu, nhưng mầm bệnh luôn thích nghi và phát triển tính kháng. Các sản phẩm khác hiện có trên thị trường kích thích phản ứng miễn dịch bằng cách đánh đổi sự sinh trưởng và phát triển của cây. Chúng ta cần những đổi mới như thế này: các chiến lược vượt ra khỏi việc chỉ triệt hạ mầm bệnh để củng cố sức đề kháng cho cây từ bên trong".

Tiến sỹ Manohar cũng lưu ý tính dễ sử dụng và chi phí hợp lý của ascr#18: "Ascr#18 là một hợp chất đơn giản với quy trình ứng dụng thuận tiện, có thể dùng cho hầu hết mọi loại cây trồng. Chi phí sản xuất thấp và lượng ascr#18 cần thiết để xử lý một diện tích đồng ruộng thấp hơn đáng kể so với các sản phẩm thương mại khác. Nhìn chung, công nghệ này có khả năng tiếp cận cao đối với người nông dân".

Các hợp chất tự nhiên như ascr#18 có tiềm năng thương mại rất lớn nhờ khả năng giúp cây trồng sẵn sàng chống lại nhiều loại mầm bệnh mà không làm giảm sinh trưởng hay năng suất. Khi dịch bệnh đang gây thất thoát mùa màng và đe dọa an ninh lương thực toàn cầu, đây chính là giải pháp then chốt cho một nền nông nghiệp bền vững.

Phạm Thành Nhân theo BTI.