Cơ sở di truyền mới và khả năng kháng côn trùng gây hại của cây trồng công nghệ sinh học
Sâu đục thân ngô, còn được biết với tên gọi là sâu đục quả bông hoặc Helicoverpa zea, đã cho thấy khả năng phát triển nhanh chóng khả năng kháng thuốc trên đồng ruộng đối với các loại cây trồng biến đổi gen. Các nhà nghiên cứu của Đại học Arizona tại Khoa Nông nghiệp, Khoa học Sự sống và Môi trường đang nghiên cứu yếu tố di truyền độc đáo giúp một trong những loài gây hại cây trồng chính của Hoa Kỳ kháng thuốc đối với các loại cây trồng chuyển gen.
Nếu không được kiểm soát, côn trùng gây hại có thể tàn phá mùa màng. Để giảm thiểu thiệt hại và giảm nhu cầu phun thuốc trừ sâu, cây trồng đã được biến đổi gen để sản xuất protein vi khuẩn tiêu diệt các loài gây hại chính nhưng không gây hại cho con người hoặc động vật hoang dã. Tuy nhiên, việc trồng rộng rãi các loại cây trồng chuyển gen như vậy đã dẫn đến sự thích nghi nhanh chóng của một số loài gây hại. Một nghiên cứu mới trong Biên bản của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia tiết lộ một cơ sở di truyền mới về khả năng kháng thuốc của cây trồng chuyển gen ở một trong những loài gây hại cây trồng quan trọng nhất tại Hoa Kỳ.
Các nhà nghiên cứu từ Khoa côn trùng học của Đại học Arizona thuộc Cao đẳng Nông nghiệp, Khoa học Sự sống và Môi trường đã sử dụng công nghệ gen để nghiên cứu những thay đổi di truyền gây ra khả năng kháng thuốc đối với cây trồng chuyển gen trong quần thể sâu đục thân ngô, còn được gọi là sâu đục quả bông hoặc Helicoverpa zea. Họ phát hiện ra rằng ở loài gây hại háu ăn này, khả năng kháng thuốc tiến hóa trên đồng ruộng không liên quan đến bất kỳ gen nào trong số 20 gen trước đây có liên quan đến khả năng kháng thuốc đối với các protein diệt côn trùng gây hại ở cây trồng chuyển gen.
"Sâu đục thân ngô là một trong những loài gây hại thách thức nhất thế giới xét về khả năng nhanh chóng phát triển khả năng kháng thuốc trên đồng ruộng đối với các loại cây trồng biến đổi gen. Chúng tôi đã xác định được 20 gen chứa đột biến mang lại khả năng kháng thuốc đối với các protein diệt côn trùng gây hại dựa trên công trình trước đây với các chủng sâu đục thân ngô được chọn lọc trong phòng thí nghiệm cũng như các quần thể kháng thuốc trên đồng ruộng và các chủng phòng thí nghiệm của các loài gây hại cánh vảy khác", tác giả nghiên cứu cấp cao Bruce Tabashnik, trưởng khoa Côn trùng học đã cho biết. "Chúng tôi gọi 20 gen này là 'những đối tượng thường gặp'. Trái với kỳ vọng của chúng tôi, khi tìm kiếm gen gây ra khả năng kháng thuốc tiến hóa trên đồng ruộng của sâu đục thân ngô, không có gen thường gặp nào gây ra".
Một công cụ mới trong cuộc chiến không hồi kết với côn trùng gây hại
Để được bảo vệ khỏi sâu đục thân ngô và một số loài sâu bướm và bọ cánh cứng gây hại chính khác, cây trồng đã được biến đổi gen để sản xuất protein từ vi khuẩn phổ biến Bacillus thuringiensis hay Bt. Không giống như thuốc trừ sâu phổ rộng, protein Bt chỉ có tác dụng chống lại tương đối ít loài côn trùng. Trong khi thuốc trừ sâu phổ rộng là chất độc thần kinh, protein Bt chỉ có thể gây độc nếu chúng được ăn vào và sau đó liên kết với các thụ thể đường ruột cụ thể không có ở hầu hết các loài không phải là côn trùng gây hại, bao gồm cả con người. Do hiệu quả và độ an toàn của chúng, cây trồng Bt được trồng ở hàng chục quốc gia trên diện tích hơn một phần tư tỷ mẫu Anh mỗi năm. Tại Hoa Kỳ vào năm 2024, các giống Bt chiếm 86% diện tích ngô và 90% diện tích bông được trồng. Tuy nhiên, sự tiến hóa của khả năng kháng thuốc của các loài gây hại như sâu đục thân ngô đã làm giảm lợi ích của cây trồng Bt.
Sâu đục thân ngô là một trong những loài gây hại có ý nghĩa kinh tế nhất ở Hoa Kỳ, gây ra thiệt hại và chi phí hàng trăm triệu đô la mỗi năm. Chúng tấn công nhiều loại cây trồng, bao gồm ngô, bông, đậu nành và cà chua.
Một sự thay đổi trong DNA
Để phân tích cơ sở di truyền của khả năng kháng sâu đục thân ngô tiến hóa trên đồng ruộng, các nhà nghiên cứu của Đại học Alberta đã hợp tác với các đồng nghiệp tại Đại học Texas A&M, những người đã sử dụng kiểm tra sinh học để đánh giá khả năng kháng bệnh bằng cách thử nghiệm các loài côn trùng có nguồn gốc từ đồng ruộng.
Luciano Matzkin, giáo sư côn trùng học tại Đại học Alberta và là đồng tác giả của nghiên cứu đã cho biết: "Các kiểm tra sinh học thường được sử dụng để xác định xem côn trùng có khả năng kháng thuốc hay không bằng cách cho chúng tiếp xúc với protein Bt trong phòng thí nghiệm".
Sau khi các kiểm tra sinh học hoàn tất, các loài côn trùng được thử nghiệm thường bị loại bỏ. Trong quan hệ đối tác sáng tạo này, các loài côn trùng từ các kiểm tra sinh học được tiến hành tại Texas A&M đã được đông lạnh và gửi đến U of A để chiết xuất DNA và giải trình tự để có thể quét toàn bộ bộ gen để tìm ra sự khác biệt về mặt di truyền giữa sâu bướm tai ngô kháng và dễ bị nhiễm. Bao gồm một số mẫu đã được giải trình tự trước đó, phân tích bộ gen bao gồm 937 con sâu bướm tai ngô từ 17 địa điểm ở bảy tiểu bang trên khắp miền Nam Hoa Kỳ, được lấy mẫu từ năm 2002 đến năm 2020.
"Chúng tôi đã kiểm tra cẩn thận 20 gen ảnh hưởng đến cách côn trùng gây hại phản ứng với protein Bt trong các nghiên cứu trước đây. Bằng chứng của chúng tôi cho thấy những thay đổi trong các gen này không gây ra tình trạng kháng thuốc đối với cây trồng Bt trong quần thể sâu đục thân ngô hoang dã", Andrew Legan, nghiên cứu sinh sau tiến sỹ tại U of A và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu đã cho biết. "Thay vào đó, chúng tôi phát hiện ra tình trạng kháng thuốc có liên quan đến một nhóm gen được nhân đôi trong một số quần thể đồng ruộng kháng thuốc. Nhưng vẫn còn là một bí ẩn về việc có bao nhiêu gen trong số này góp phần vào tình trạng kháng thuốc và chúng truyền tình trạng kháng thuốc như thế nào".
Mặc dù không thu hẹp nguyên nhân gây ra tình trạng kháng thuốc đối với một gen duy nhất, các nhà nghiên cứu cho biết nghiên cứu này cung cấp một lời nhắc nhở quan trọng rằng cơ sở di truyền của tình trạng kháng thuốc có thể khác nhau giữa thực địa và phòng thí nghiệm. Đây là một cảnh báo quan trọng để phát triển các công cụ theo dõi tình trạng kháng thuốc trên thực địa. Các kết quả cũng chứng minh cách các kiểm tra sinh học có thể được sử dụng với các phân tích bộ gen. Như nghiên cứu minh họa, các phân tích bộ gen của côn trùng kháng thuốc và dễ bị nhiễm bệnh được bảo quản từ các kiểm tra sinh học theo dõi thường quy có thể giúp làm sáng tỏ cơ sở di truyền của tình trạng kháng thuốc tiến hóa trên thực địa, trong khi kết quả kiểm tra sinh học có thể xác định ngay lập tức tình trạng kháng thuốc trên thực địa và giúp tạo điều kiện thuận lợi cho các quyết định quản lý.
Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Arizona
