Ức chế sự phát triển của nấm hại trên cây trồng bằng nấm men cải tiến

Khoảng 70-80% cây trồng bị thiệt hại do nấm là tác nhân gây bệnh. Thuốc diệt nấm là vũ khí quan trọng sản xuất nông nghiệp, tuy nhiên chúng gây ra rủi ro về môi trường. Theo thời gian, nấm cũng phát triển khả năng kháng thuốc diệt nấm, dẫn đến người trồng luôn phải tìm ra những cách mới và cải tiến để kiểm soát các loại nấm gây bệnh.

Sự phát triển mới nhất là sử dụng khả năng phòng thủ tự nhiên ở thực vật để chống lại nấm gây bệnh. Trong một bài báo được xuất bản trên tạp chí Biotechnology and Bioengineering, các kỹ sư và nhà nghiên cứu bệnh thực vật tại UC Riverside đã mô tả một cách để tạo ra một loại protein ngăn chặn nấm phá vỡ thành tế bào, cũng như một cách để sản xuất protein này với số lượng lớn để ứng dụng xử lý bề mặt như một loại thuốc diệt nấm tự nhiên. Công trình này có thể dẫn đến một phương pháp mới để kiểm soát bệnh hại cây trồng, giảm sự phụ thuộc vào các loại thuốc diệt nấm thông thường.

Để xâm nhập vào các mô thực vật, nấm tạo ra các enzyme được sử dụng trong các phản ứng xúc tác để phá vỡ các thành tế bào. Trong số này có polygalacturonase hoặc PGs, nhưng thực vật không bất lực trước sự tấn công này. Thực vật tạo ra các protein được gọi là protein ức chế PG, hoặc PGIP, làm chậm quá trình xúc tác. Một nhóm các nhà nghiên cứu tại UC Riverside đã xác định được đoạn DNA tạo ra tín hiệu cho cây biết cách tạo ra PGIP ở cây đậu xanh. Họ đã chèn các phân đoạn hoàn chỉnh và từng phần vào bộ gen của nấm men để làm cho nấm men tạo ra PGIP. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng nấm men thay cho thực vật vì nấm men không có PGIPs của riêng nó và phát triển nhanh hơn thực vật. Sau khi xác nhận rằng nấm men đang tái tạo với DNA mới, các nhà nghiên cứu đã đưa nó vào môi trường nuôi cấy nấm Botrytis cinerea, một loại nấm gây thối mốc xám trên cây đào và các loại cây trồng khác và nấm Aspergillus niger gây mốc đen trên nho và các loại rau quả khác.

Nấm men có cả đoạn DNA hoàn chỉnh và một phần được mã hóa để sản xuất PGIP đã làm chậm sự phát triển của nấm thành công. Kết quả cho thấy nấm men đã sản xuất đủ PGIP để làm cho phương pháp này trở thành một ứng cử viên tiềm năng cho sản xuất quy mô lớn. Những kết quả này tái khẳng định tiềm năng của việc sử dụng PGIP như các tác nhân ứng dụng ngoại sinh để ức chế sự lây nhiễm của nấm, được cho biết bởi Yanran Li, trợ lý giáo sư kỹ thuật hóa học và môi trường của Đại học Marlan và Rosemary Bourns, người đã làm việc trong dự án với nhà nghiên cứu bệnh thực vật Alexander Putman trong Khoa Vi sinh và Bệnh học Thực vật. “PGIPs chỉ ức chế quá trình lây nhiễm nhưng không có khả năng gây tử vong cho bất kỳ loại nấm nào. Do đó, việc ứng dụng peptit có nguồn gốc từ protein thực vật tự nhiên này cho cây trồng có thể sẽ có tác động tối thiểu đến hệ sinh thái vi sinh thực vật”, Li cũng nói rằng PGIP có thể phân hủy sinh học thành các axit amin có trong tự nhiên, có nghĩa là ít ảnh hưởng tiềm ẩn hơn đối với người tiêu dùng và môi trường khi so sánh với thuốc trừ nấm tổng hợp. “Việc tạo ra cây trồng chuyển gen tốn nhiều thời gian và việc áp dụng cây trồng chuyển gen trong ngành nông nghiệp cần một thời gian dài để phê duyệt. Mặt khác, các PGIP được thiết kế có nguồn gốc từ protein tự nhiên có thể được áp dụng như một sản phẩm theo dõi nhanh để FDA chấp thuận, nếu chúng có thể được sử dụng ngoại sinh theo cách tương tự như thuốc diệt nấm”, Li cho biết.

Bằng cách điều chỉnh nấm men theo một cách hơi khác, các nhà nghiên cứu đã có thể làm cho nó tiết ra PGIP để ứng dụng bên ngoài. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng làm đông lạnh các vi sinh vật xuất hiện tự nhiên trên táo, sau đó hoàn nguyên chúng trong dung dịch và phun lên cây trồng, làm giảm đáng kể nấm bệnh và hao hụt trong quá trình vận chuyển. Các tác giả gợi ý rằng nấm men biểu hiện PGIP có thể được sử dụng theo cách tương tự. Tuy nhiên, họ cảnh báo rằng vì thực vật cũng hình thành mối quan hệ có lợi với một số loại nấm, nên các nghiên cứu trong tương lai cần đảm bảo thực vật chỉ đẩy lùi nấm có hại.

Li sẽ tiếp tục thiết kế các PGIP để nâng cao hiệu quả và phổ rộng hơn chống lại các loại nấm gây bệnh khác nhau. Đồng thời, Li và Putman sẽ tiếp tục đánh giá tiềm năng của việc sử dụng PGIP được thiết kế để ngăn chặn nấm gây bệnh trước và sau thu hoạch.

Nguyễn Hiếu Hạnh theo Đại học California, Riverside.