Ứng dụng công nghệ di truyền trong chọn tạo giống cây trồng kháng tuyến trùng

Bằng cách tìm hiểu chức năng gene của tuyến trùng và tương tác giữa chúng với cây trồng, các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Nông Lâm TP.HCM đang đến gần hơn với các phương pháp hiệu quả giúp ức chế tuyến trùng - một trong những mối đe dọa lớn nhất với mùa màng hiện nay.

Cây đậu nành chuyển gene sinh trưởng bình thường so với cây đối chứng không chuyển gene, các nốt sưng tạo ra trên rễ ít hơn so với cây đối chứng. Nguồn: NVCC

Vô hiệu hóa “vũ khí” của tuyến trùng

Những nốt sần xuất hiện ở rễ cây lúa không phải là điều xa lạ với người nông dân. Thoạt nhìn, nhiều người có thể liên tưởng đến những nốt sần ở rễ cây họ đậu do vi khuẩn cố định đạm tạo nên, vốn có lợi cho cây. Điều này hoàn toàn ngược lại với cây lúa: nốt sần ở rễ cây báo hiệu một căn bệnh nguy hiểm - bệnh tuyến trùng hại rễ lúa. Thủ phạm ở đây là Meloidogyne graminicola - một trong những loài tuyến trùng phổ biến gây hại trên lúa, khiến cây bị còi cọc, vàng lá, kém phát triển, dẫn tới giảm năng suất. “Ở Việt Nam, loài này ký sinh tương đối phổ biến trên lúa tại Đồng bằng sông Cửu Long”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong, Khoa Khoa học Sinh học, Trường ĐH Nông lâm TP.HCM, cho biết.

Đây chỉ là một trong rất nhiều bệnh do tuyến trùng gây ra trên các loài cây trồng ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Tuyến trùng (nematode) là một loại động vật không xương sống, thuộc ngành Giun tròn, có số lượng loài rất lớn, phân bố đa dạng, sống ở trong nước (bao gồm cả nước biển), ký sinh trên động thực vật gồm cả con người… Chỉ tính riêng tuyến trùng ký sinh trên thực vật hiện nay đã có khoảng hơn 27.000 loài, trong đó tuyến trùng gây bướu rễ Meloidogyne khoảng 5.000 loài. Chúng tấn công hầu hết các loại cây lương thực, cây công nghiệp và cây trồng phổ biến hiện nay. Do vậy, “tuyến trùng ký sinh thực vật là đối tượng gây hại nghiêm trọng nhất trong tất cả các đối tượng gây hại trên cây trồng”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong nhận xét.

Dù không gây chết ngay lập tức song tuyến trùng gây hại thường làm giảm khả năng hút nước và hấp thụ dinh dưỡng, khiến cây sinh trưởng kém, còi cọc, lá úa vàng. Nguy hiểm hơn, tuyến trùng còn gián tiếp mở đường, tạo điều kiện cho các tác nhân gây hại khác như nấm bệnh, vi khuẩn, virus xâm nhập vào cây trồng, làm suy giảm năng suất và chất lượng nông sản. Việc phát hiện sớm cây bị nhiễm tuyến trùng cũng không dễ vì các triệu chứng do tuyến trùng gây ra khó phân biệt với triệu chứng thiếu dinh dưỡng hay ảnh hưởng của thời tiết bất lợi.

Trước sự hoành hành của tuyến trùng, nhiều giải pháp đã ra đời nhằm hạn chế ảnh hưởng của chúng đến mùa màng, bao gồm các phương pháp hóa học, vật lý, sinh học, cho đến luân canh cây trồng… Tuy nhiên, tất cả đều còn các hạn chế. “Phương pháp hóa học có thể diệt trừ tuyến trùng triệt để, nhưng đồng thời với việc diệt trừ tuyến trùng, thuốc hóa học còn diệt luôn cả vi sinh vật có lợi trong đất. Hơn nữa, phương pháp sử dụng thuốc hóa học có thể để lại dư lượng trên nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong phân tích. Tương tự, phương pháp luân canh cũng không hiệu quả vì tuyến trùng là loài đa thực, gây hại trên hầu hết các loại cây trồng. Một số giống cây trồng kháng tuyến trùng đã được tạo ra nhưng bị hạn chế do tốn thời gian, có thể chỉ hiệu quả với một loại tuyến trùng, không biểu hiện ở nhiệt độ cao và có thể ảnh hưởng đến năng suất và phẩm chất của cây trồng.

Liệu có biện pháp phòng trừ tuyến trùng nào tối ưu hơn - vừa đảm bảo hiệu quả lại vừa thân thiện với môi trường? Đây là vấn đề mà PGS.TS Nguyễn Vũ Phong và nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM đang tìm cách giải quyết. Trong quá trình tìm kiếm, các nhà nhà nghiên cứu nhận thấy công nghệ RNA can thiệp có thể là một trong những cách tiếp cận phù hợp. “Bằng cách kìm hãm sự biểu hiện các gene mã hóa các protein độc tính ở tuyến trùng bằng công nghệ microRNA, chúng tôi có thể giảm khả năng ký sinh và hạn chế tác hại do tuyến trùng gây ra”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong giải thích.

Bản chất của giải pháp này là vô hiệu hóa “vũ khí” của tuyến trùng - các effector. Khi tấn công cây trồng, tuyến trùng tiết ra các protein và phân tử nhỏ (effector) vào tế bào thực vật, làm biến đổi cấu trúc hoặc chức năng của tế bào, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình ký sinh. “Thông qua kim chích, effector được chuyển vào tế bào nhằm sửa đổi, ngăn chặn hoặc chống lại phản ứng phòng vệ, từ đó tạo điều kiện xâm nhập hoặc di trú của tuyến trùng trong rễ cây”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong giải thích. “Sự ký sinh của tuyến trùng bị chi phối rất nhiều bởi các effector. Nhiều nghiên cứu trên thế giới trước đây cho thấy khi tuyến trùng xâm nhiễm vào bên trong tế bào thực vật, nó tiết ra hàng trăm loại protein mô phỏng các yếu tố điều hòa sự biểu hiện các gene bên trong tế bào thực vật, hoặc loại bỏ khả năng miễn dịch của tế bào cây trồng, hoặc tái lập lại chương trình của tế bào cây trồng theo hướng có lợi cho tuyến trùng. Hiện nay, có rất nhiều các effector mà người ta vẫn chưa biết chức năng của chúng”.

Chọn tạo giống cây trồng kháng tuyến trùng

Để giảm khả năng tấn công của tuyến trùng, các nhà nghiên cứu phải tìm ra các gene mã hóa các effector quan trọng của tuyến trùng và bất hoạt/làm câm lặng các gene này. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp làm câm lặng gene thông qua ký chủ (HIGS – Host Induced Gene Silencing). Trong những năm gần đây, phương pháp HIGS được ứng dụng ngày càng nhiều để bảo vệ cây trồng khỏi những tác nhân gây hại. Về nguyên lý, các nhà nghiên cứu sẽ thiết kế một cấu trúc làm câm gene để chuyển vào cây trồng nhằm tạo ra các phân tử RNA chuyên biệt. Khi tuyến trùng tấn công cây trồng, các phân tử RNA này từ cây trồng sẽ được hút vào cơ thể tuyến trùng, làm câm các gene mã hóa các effector ở tuyến trùng.

Về bản chất, “các kỹ thuật này cũng tương tự kỹ thuật chuyển gene để tạo ra cây trồng biến đổi gene từ trước đến nay”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong giải thích. “Tuy nhiên, điểm khác biệt nằm ở cấu trúc làm câm lặng gene được đưa vào trong tế bào thực vật. Trong trường hợp này, cấu trúc được chuyển vào sẽ tạo ra các đoạn ARN sợi đôi, sau đó được hệ thống bên trong cây trồng cắt ra thành những đoạn ngắn hơn. Khi tuyến trùng tấn công cây trồng, nó sẽ hút các đoạn ARN ngắn này vào trong cơ thể. Cơ chế RNA can thiệp trong tuyến trùng sẽ làm biến đổi sự biểu hiện gene (câm lặng gene), từ đó gây biến đổi hoạt động sống bình thường của tuyến trùng, làm chúng bị ức chế hoặc suy yếu”.

Đằng sau việc thiết kế một cấu trúc làm câm lặng gene như vậy là vô số công đoạn, từ việc chọn lọc các effector, tạo dòng các gene ứng cử viên, sau đó tổng hợp vector mang cấu trúc RNA can thiệp và chuyển vào cây trồng… Để có đủ nguồn lực đáp ứng quá trình nghiên cứu, họ đã tìm đến sự hỗ trợ từ các đề tài của Sở KH&CN TP.HCM và Quỹ NAFOSTED. Kết hợp với đội ngũ nhân lực giàu kinh nghiệm cùng những trang thiết bị sẵn có ở Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM, nhóm nghiên cứu đã thu được những kết quả bước đầu đầy hứa hẹn. “Với cách tiếp cận này, chúng tôi đã thực hiện trên cây đậu nành và cây lúa để thử nghiệm và thấy rằng, các dòng đậu nành và lúa biến đổi gene mang các trúc RNA can thiệp của chúng tôi có khả năng giảm khả năng ký sinh và sinh sản của tuyến trùng từ 50% -70% so với đối chứng”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong cho biết.

Ngoài lúa và đậu nành, việc mở rộng ứng dụng công nghệ này cho các loại cây trồng khác cũng rất triển vọng. “Phương pháp cũng tương tự như vậy. Quan trọng là phải xác định gene nào của tuyến trùng mà mình muốn nhắm đến, gene nào quyết định khả năng ký sinh, gây bệnh của tuyến trùng. Việc tác động đúng gene mục tiêu sẽ mang lại hiệu quả cao hơn”, anh giải thích.

Từ các nghiên cứu này, không ít người đã nghĩ đến những giống cây trồng biến đổi gene có khả năng kháng sâu bệnh trong tương lai. Song đây không phải là việc dễ dàng, bởi lẽ việc tạo ra giống cây trồng biến đổi gene vẫn còn là một còn đường dài với không ít chông gai, đồng thời còn nhiều tranh cãi ở Việt Nam cũng như thế giới. Đặc biệt với cây lương thực, việc tạo ra giống biến đổi gene được công nhận và đưa vào sản xuất là điều rất khó. “Chúng tôi đã bước đầu tạo ra các dòng cây kháng với tuyến trùng. Để tiếp tục phát triển thành giống cần phải theo dõi, đánh giá tính ổn định di truyền, các đặc tính nông sinh học, năng suất, phẩm chất của cây có bị biến đổi hay không… còn một quá trình rất dài”, PGS.TS Nguyễn Vũ Phong cho biết. Hiện nay, “chúng tôi đang tiếp tục sử dụng công nghệ RNA can thiệp để khám phá về chức năng gene của tuyến trùng và mối tương tác giữa chúng và cây trồng ở mức độ phân tử. Các kết quả này sẽ là nền tảng khoa học vững chắc để ứng dụng công nghệ hiện đại trong việc chọn tạo giống cây trồng kháng tuyến trùng”.

Khoahocphattrien