Đó là nghiên cứu của Nhóm khoa học bao gồm Tiến sĩ Ngô Xuân Kiên trực thuộc Viện Nghiên cứu Nano Khoa học Đời sống, ĐH Kanazawa, Nhật Bản, Tiến sĩ Nguyên Bảo Quốc trực thuộc Viện Công nghệ Sinh học và Môi trường, ĐH Nông Lâm tập trung nghiên cứu về chẩn đoán và bệnh học phân tử và Tiến sĩ Nguyễn Anh Nghĩa trực thuộc phòng thí nghiệm Bảo vệ Thực vật thuộc Viện Nghiên cứu Cao su Việt Nam tập trung nghiên cứu về kiểm soát dịch bệnh trên cây cao su.
Gen đáp ứng miễn dịch tới nấm bệnh và độc tố nấm
Thực trạng cây cao su Việt Nam
Theo Nhóm nghiên cứu, cây cao su (Hevea brasiliensis) được di nhập vào Việt Nam từ năm 1897. Trải qua hơn 100 năm, cây cao su đã tồn tại và phát triển từ vùng Đông Nam Bộ truyền thống đến Tây Nguyên, Duyên Hải Miền Trung, Tây Bắc. Theo Hiệp hội các nước sản xuất Cao su thiên nhiên (ANRPC), tính đến cuối năm 2020, Việt Nam có 926.280 hecta cao su trong đó có 720.000 hecta đang khai thác với năng suất bình quân 1.618 kg/ha/năm (cao nhất thế giới).
Năm 2020 với sản lượng 1,553 triệu tấn và xuất khẩu 1,165 triệu tấn, Việt Nam hiện là nước sản xuất và xuất khẩu cao su thiên nhiên đứng hàng thứ ba trên thế giới chỉ sau Thái Lan và Indonesia. Bên cạnh mủ cao su, gỗ cao su là nguồn nguyên liệu quan trọng đóng góp vào kim ngạch xuất khẩu của ngành cao su, cải thiện thu nhập cho hơn 265.000 hộ tiểu điền và hơn 1.500 doanh nghiệp trong chuỗi cung ứng gỗ cao su.
Theo Hiệp hội Cao su Việt Nam (Vietnam Rubber Association, VRA), trong giai đoạn 2016 – 2020, sản lượng gỗ cao su của Việt Nam ước đạt khoảng 3,89 triệu m3 gỗ quy tròn/năm và có tiềm năng đạt từ 3,22 – 13,10 triệu m3 gỗ quy tròn/năm từ sau năm 2021. Cao su thiên nhiên là nguyên liệu để sản xuất ra rất nhiều sản phẩm thiết yếu phục vụ cuộc sống của con người như săm lốp, linh kiện xe, găng tay, đế giày, băng tải, dây cua-roa, chỉ thun, nệm gối, bóng thể thao…
Gỗ cao su được thu hoạch sau chu kỳ khai thác mủ 20 – 30 năm cũng là sản phẩm có giá trị cao. Các sản phẩm nội thất được làm từ gỗ cao su hiện nay rất được ưa chuộng trên thế giới. Có thể nói ngành công nghiệp sản xuất cao su thiên nhiên của Việt Nam rất quan trọng và cần được bảo vệ và phát triển bền vững nhằm tạo công ăn việc làm và thu nhập ổn định cho hàng triệu người lao động, cũng như thu về hàng tỷ USD mỗi năm từ xuất khẩu mủ và gỗ cho Việt Nam.
Bệnh nấm và độc tố nấm
Như các loại cây trồng khác, cây cao su cũng bị nhiều loại bệnh hại tấn công gây ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng và sản lượng. Các nhà khoa học cho rằng bệnh rụng lá Corynespora (Corynespora Leaf Fall, CLF) do nấm Corynespora cassiicola (Berk. & Curt.) Wei là một trong những loại bệnh hại chủ yếu trên cây cao su.
Bệnh xuất hiện quanh năm và trên mọi giai đoạn sinh trưởng của cây cao su, gây hại đặc biệt nghiêm trọng trên các dòng vô tính cao su mẫn cảm. Bệnh tấn công lá và chồi, gây rụng lá hàng loạt nhiều lần, làm giảm sinh trưởng, năng suất và có thể gây chết cây, gây thiệt hại nặng nề cho ngành trồng cao su ở Việt Nam và nhiều nước.
Hiện nay, chúng ta đã biết nấm bệnh C. cassicola có 7 gen có thể tạo ra 7 loại độc tố Cassiicolin (Cas1 – Cas7). Tuy nhiên, những phân tích gen chỉ ra rằng nấm C. cassiicola chỉ biểu hiện 1 hoặc vài loại đôc tố Cas đặc hiệu trong quá trình gây bệnh rụng lá trên các dòng vô tính cao su mẫn cảm.
Ví dụ, trong nhiều nghiên cứu gần đây, nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Bảo Quốc (ĐH Nông Lâm), TS Nguyễn Anh Nghĩa (Viện Nghiên cứu cao su Việt Nam) và TS Nguyễn Ngọc Bảo Châu (ĐH Mở Thành phố Hồ Chí Minh) đã phân lập và phát hiện gen trong nấm C. cassiicola nhiễm trên cao su trồng tại Việt nam chủ yếu biểu hiện độc tố Cas2.
Nhóm các nhà khoa học nghiên cứu về cao su.
Trong khi đó các dòng vô tính cao su trồng tại các quốc gia khác trên thế giới từ châu Mỹ tới châu Á có khí hậu và thổ nhưỡng khác Việt Nam nhiễm nấm bệnh C. cassiicola, nấm sản sinh ra 1 loại độc tố Cas đặc hiệu khác. Ví dụ, gen sản sinh độc tố Cas1 được tìm thấy chủ yếu trong nấm bệnh C. cassiicola nhiễm trên dòng vô tính cao su trồng tại Brazil hay Trung Quốc.
Nhiều câu hỏi khoa học căn bản tìm hiểu về mối quan hệ đặc hiệu giữa vật chủ cây cao su và nấm bệnh C. cassiicola được các nhà khoa học trong ngành đặt ra mà chưa có câu trả lời thuyết phục. Cho tới nay, rất nhiều nghiên cứu chỉ tập trung vào vấn đề xác định những gen tạo độc tố trong nấm bệnh C. cassiicola và xác định những gen liên quan đến phản ứng miễn dịch của vật chủ cây cao su khi bị nhiễm nấm bệnh hay độc tố Cas của chúng thông qua những phân tích sinh hóa và tính toán mô phỏng.
Theo dòng nghiên cứu này, các nhà khoa học đã xác định và phân loại hàng ngàn gen đáp ứng miễn dịch tới nấm bệnh và độc tố nấm là khác nhau giữa dòng vô tính cao su mẫn cảm và dòng kháng bệnh.
Tuy những nghiên cứu này rất quan trọng nhưng lại chưa giải quyết một cách thuyết phục nhất giúp chúng ta hiểu rõ cơ chế tương tác đặc hiệu giữa vật chủ và nấm bệnh và độc tố nấm ở cấp độ phân tử. Bức tranh cụ thể về mối quan hệ đặc hiệu giữa vật chủ và nấm bệnh vẫn còn rất phức tạp và mù mờ. Việc hiểu rõ cơ chế tương tác đặc hiệu giữa vật chủ và nấm bệnh và độc tố nấm trên cây cao su là vô cùng quan trọng, sẽ mở ra một lĩnh vực mới giúp chúng ta chủ động trong việc phát triển những phương pháp kiểm soát nấm bệnh hiệu quả và an toàn trên thực vật như rau, hoa và nhiều cây lương thực khác nhau.
Hiểu được tầm quan trọng của việc giải quyết những vẫn đề lớn đang tồn đọng trên thế giới và Việt Nam, nhóm các nhà khoa học Việt Nam và Nhật Bản dưới sự dẫn dắt của TS Ngô Xuân Kiên (ĐH Kanazawa, Nhật Bản) và TS Nguyễn Bảo Quốc đã lần đầu tiên khám phá ra những đặc tính gây bệnh đặc hiệu của độc tố Cas1 và Cas2 trên các dòng vô tính cao su trồng tại Việt Nam.
Câu hỏi căn bản được đặt ra nhằm khảo sát và làm sáng tỏ cơ chế tương tác và gây độc của độc tố Cas1 và Cas2 trên màng nguyên sinh chất tế bào có chứa các thành phần lipid thực vật. Màng nguyên sinh chất trong mọi tế bào đóng vai trò thiết yếu duy trì sự sống ở cấp độ tế bào và mô. Ở mức độ phân tử, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên trên thế giới đã phát hiện và phân loại 3 nhóm lipid thực vật quan trọng là sterols (stigmasterol, sitosterol), glycerolipids (DGDG, MGDG) và các phospholipids điện tính âm (DPPA) là những thành phần màng lipid mẫn cảm với độc tố Cas1 và Cas2.
Nếu thiếu 1 trong 3 nhóm màng lipid thực vật đặc hiệu này, khả năng gây độc của độc tố Cas lên màng nguyên sinh chất tế bào gần như không xảy ra hoặc xảy ra rất yếu.
Ở mức độ giải phẫu tế bào và thử nghiệm độc tính Cas trên dòng vô tính cao su, nhóm nghiên cứu đã phân loại và làm sáng tỏ cơ chế gây độc đặc hiệu của độc tố Cas lên màng nguyên sinh chất và lá cao su. Những kỹ thuật tiên tiến nhất đã được sử dụng trong nghiên cứu này như kỹ thuật chụp ảnh lực nguyên tử tốc độ cao (HS-AFM), kỹ thuật chụp cắt lớp Cryo-SEM, hiển vi phân giải cao (STED Confocal FM) và các kỹ thuật sinh hóa khác.
Công trình nghiên cứu khoa học đã được bình duyệt khắt khe và xuất bản trên tạp chí khoa học chuyên ngành về bệnh thực vật uy tín hàng đầu của Mỹ (Phytopathology, 2022. https://doi.org/10.1094/PHYTO-09-21-0397-R).
Thông qua hợp tác nghiên cứu khoa học thực chất, Nhóm nghiên cứu đã và đang thiết lập những dự án hợp tác nghiên cứu khoa học và đào tạo nhân sự giữa ĐH Kanazawa, ĐH Nông Lâm, Viện Nghiên cứu cao su Việt Nam, ĐH Mở Thành Phố Hồ Chí Minh, và nhiều trường Đại học và Viện nghiên cứu khác của Việt Nam. Nhiều cơ hội đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao (Thạc sĩ, Tiến sĩ) đã và đang mở ra cho các sinh viên xuất sắc của Việt Nam mong muốn học tập và nghiên cứu tại Nhật Bản.
Hướng nghiên cứu ứng dụng mới nhằm kiểm soát nấm bệnh thực vật
Biện pháp hóa học đã được khuyến cáo, cụ thể là sử dụng các loại thuốc trừ nấm phun trực tiếp lên lá để tiêu diệt mầm bệnh. Tuy nhiên do đặc thù của cây cao su có tán cao (15 – 20m) cần có các loại máy phun chuyên dụng dẫn đến chi phí cao và đôi khi không mang lại hiệu quả kinh tế. Thêm vào đó, việc sử dụng thuốc hóa học còn gây ô nhiễm môi trường. Do đó chỉ nên coi đây là giải pháp tình thế trong trường hợp bệnh gây hại nặng trên diện rộng.
Giải pháp căn cơ hơn là trồng các dòng vô tính kháng hoặc chống chịu bệnh ở những vùng có nguy cơ cao. Việc tạo tuyển các dòng vô tính mới là công việc thường xuyên của các nhà nghiên cứu chọn tạo giống cao su.
Những tiến bộ trong nghiên cứu sinh học phân tử hiện nay có thể giúp đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu tạo tuyển giống. Hiểu biết về cơ chế tương tác giữa nấm-cây cao su-môi trường ở mức độ phân tử sẽ giúp công việc tạo tuyển giống kháng hoặc chống chịu bệnh nhanh hơn. Nghiên cứu đặc điểm di truyền để xác định nòi nấm là công việc cần thiết.
Sử dụng chẩn đoán bằng chỉ thị phân tử nhằm xác định nhanh nguồn bệnh cũng là hướng nghiên cứu cần phải đẩy mạnh. Nghiên cứu tách chiết, định lượng và phân loại thành phần lipid trong các dòng vô tính cao su nhằm xác định và kiểm soát những gen tổng hợp các loại lipid thực vật mẫn cảm với nấm bệnh và độc tố nấm.
Tiến tới sử dụng công nghệ CRISPR-Cas9 nhằm tao ra các dòng vô tính cao su chống chịu nấm bệnh sẽ được các nhà khoa học tiếp tục quan tâm nghiên cứu và ứng dụng. Đồng thời, tạo ra các dòng vi khuẩn hữu ích sản sinh tăng cường các loại lipopeptide như Iturin, Fengycin, Surfactin nhằm tinh chế và sử dụng những hoạt chất kháng nấm lipopeptide hoặc vi khuẩn đối kháng như những công cụ kiểm soát sinh học, tạo ra một hệ sinh thái nông nghiệp phát triển bền vững và an toàn./.
