Protein cổ đại mở ra hướng đi mới cho khả năng kháng mầm bệnh phổ rộng ở cây trồng

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Tài nguyên Bền vững RIKEN (CSRS) - Nhật Bản đã xác định được một loại protein cổ đại có tiềm năng giúp thực vật chống lại hàng chục nghìn loài vi khuẩn và mầm bệnh khác nhau.

Protein này được đặt tên là SCORE (Selective COld shock protein REceptor), một thụ thể miễn dịch có khả năng nhận diện protein sốc lạnh (cold-shock protein – CSP), vốn tồn tại ở hơn 85% các loài vi khuẩn đã biết, cũng như ở nấm và côn trùng.

Các thí nghiệm được công bố trên Science cho thấy, chỉ cần thay thế những đoạn nhỏ trong cấu trúc SCORE bằng các trình tự thay thế phù hợp, có thể thay đổi có dự đoán trước loại CSP và do đó là loại mầm bệnh mà thụ thể này nhận diện. Chiến lược này mở ra khả năng thiết kế thụ thể SCORE tổng hợp để trang bị cho thực vật, đặc biệt là cây trồng và cây gỗ lâu năm, khả năng tự vệ trước các mầm bệnh gây hại.

Khi bị nhiễm bệnh, các loài thực vật có hoa như lúa, lúa mì, ôliu hay tre thường bị còi cọc và giảm năng suất. Trong tự nhiên, thực vật có các thụ thể miễn dịch nhận diện phân tử đặc trưng của mầm bệnh theo cơ chế “khớp khóa – chìa”, từ đó kích hoạt phản ứng miễn dịch. Tuy nhiên, không có thụ thể nào có thể nhận diện tất cả các mầm bệnh hiện tại và tương lai. Gần đây, nghiên cứu cho thấy có thể chuyển gen thụ thể miễn dịch từ loài này sang loài khác (ví dụ từ họ cải sang họ cà), giúp cây nhận được khả năng kháng bệnh mà chúng vốn không có.

Khó khăn lớn là trong hàng trăm nghìn cặp thụ thể – phân tử mầm bệnh có trong tự nhiên, đến nay giới khoa học mới xác định được chưa tới mười cặp, tất cả đều ở các loài mô hình có hệ gen đã được nghiên cứu kỹ. Điều này khiến việc ứng dụng vào thực tế sản xuất gặp nhiều hạn chế.

Trong công trình mới, nhóm của Shirasu đã phát triển chiến lược để xác định các cặp thụ thể – mầm bệnh. Bắt đầu từ hơn 1.300 thụ thể được giải mã từ bộ gen của 350 loài thực vật, họ phát hiện ra một thụ thể miễn dịch chưa từng được mô tả ở cây bưởi (pomelo). Kết quả cho thấy thụ thể này nhận diện được một số nhưng không phải tất cả CSP, do đó được đặt tên là SCORE.

SCORE nhận diện một đoạn ngắn 15 acid amin trong CSP, gọi là csp15. Khi thay thế một số acid amin trong csp15, khả năng nhận diện của SCORE thay đổi theo. Phân tích bộ gen cho thấy hầu hết mầm bệnh (trừ virus) đều sản sinh ít nhất một dạng CSP. Đặc biệt, bốn vị trí trong chuỗi acid amin (6, 7, 14 và 15) có sự biến đổi mạnh giữa các loài, chính là cơ sở cho sự đa dạng trong nhận diện.

Nhóm nghiên cứu tìm thấy hơn 60 biến thể SCORE ở các dòng thực vật khác nhau và truy ngược nguồn gốc đến tổ tiên chung của tất cả các loài thực vật có hoa. Điều này đồng nghĩa nhiều loài cây trồng hiện nay đã có sẵn biến thể của SCORE.

“Phát hiện này thực sự bất ngờ,” đồng tác giả Yasuhiro Kodata cho biết. “Sự đa dạng tự nhiên trong khả năng nhận diện CSP ở các SCORE từ các dòng thực vật khác nhau cho thấy thụ thể miễn dịch này đã nhiều lần tiến hóa để tinh chỉnh cơ chế phát hiện mầm bệnh thông qua những thay thế acid amin đặc hiệu.”

Phân tích chi tiết các SCORE đã xác định được những vị trí acid amin có tính biến thiên giữa các dòng, và dựa trên đặc tính điện tích, có thể dự đoán được SCORE nào nhận diện được csp15 nào.

Từ cơ sở đó, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm tái thiết kế SCORE từ bưởi, tạo ra các phiên bản mới có khả năng nhận diện những mầm bệnh mà bản gốc không phát hiện được, ví dụ như các loài vi khuẩn Ralstonia, Erwinia và Xanthomonas.

“Trong ngắn hạn,” Shirasu nhận định, “nghiên cứu này đưa ra một khuôn khổ mới để nhận diện và thiết kế thụ thể miễn dịch từ các loài thực vật phi mô hình, đặc biệt là cây lâu năm - vốn khó áp dụng công cụ di truyền học.”

Tác giả chính Bruno Pok Man Ngou bổ sung: “Mục tiêu tiếp theo của chúng tôi là đưa các biến thể SCORE được thiết kế vào những loài cây trồng quan trọng về kinh tế, nhằm tạo ra khả năng kháng mầm bệnh và côn trùng phổ rộng. Đây là một giải pháp bền vững để tăng cường khả năng chống chịu sâu bệnh trong nông nghiệp và góp phần bảo đảm an ninh lương thực toàn cầu”.

Nguyễn Thị Kim Thoa - Hcmbiotech, theo phys.org