Đặt vấn đề
Ước tính thiệt hại trên toàn thế giới do sâu bệnh và mầm bệnh thực vật gây ra sự sụt giảm đáng kể về sản lượng và chất lượng cây trồng là tương đối lớn. Vì vậy, để đảm bảo an ninh lương thực lâu dài, việc bảo vệ cây trồng được coi là cần thiết.
Hiện nay, các chiến lược quản lý mầm bệnh chủ yếu dựa vào việc sử dụng thuốc trừ sâu rệp, thuốc diệt nấm và thuốc diệt cỏ có nguồn gốc hóa học. Tuy nhiên, phương pháp này mang đến nhiều nhược điểm hơn là ưu điểm. Nguyên nhân chính là do nhiều loại hóa chất bảo về thực vật có hại cho sức khỏe con người và động vật, gây ô nhiễm môi trường và chúng thậm chí còn bị cuốn trôi sau khi sử dụng. Do đó, việc phát triển công nghệ mới nhằm mục đích bảo vệ thực vật có thể khắc phục được những nhược điểm nêu trên là vô cùng cấp thiết cho nông nghiệp bền vững.
Công nghệ nano trong phát triển chế phẩm sinh học
Một phương pháp mới đang được phát triển để chống lại mầm bệnh và nâng cao năng suất cây trồng là sử dụng RNA can thiệp (RNA interference - RNAi). Kỹ thuật này liên quan đến việc đưa các RNA can thiệp nhỏ (siRNA) nhắm vào các gen cụ thể chịu trách nhiệm về những đặc điểm không mong muốn trên cây trồng, từ đó ngăn chặn mầm bệnh gây bệnh hoặc tăng khả năng chống lại các yếu tố môi trường gây stress như hạn hán hoặc nắng nóng. RNAi có khả năng làm bất hoạt gen mầm bệnh mục tiêu bằng cách làm suy biến một cách đặc hiệu RNA thông tin (mRNA) của mầm bệnh mục tiêu, từ đó ngăn cản sự dịch mã thành protein. Ban đầu, chiến lược dùng RNAi chống lại mầm bệnh thực vật liên quan đến việc đưa dsRNA ổn định vào cây chủ bằng kỹ thuật chuyển gen (Host-Induced Gene Silence - HIGS). Mặc dù, HIGS đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm bệnh phấn trắng và các bệnh nấm khác bao gồm bệnh bạc lá Fusarium, bệnh gỉ sắt sọc lúa mì và nấm mốc xám. Tuy nhiên, qua nhiều năm phát triển, có rất ít sản phẩm thực vật dựa trên RNAi nhắm mục tiêu vào các loài gây hại trên thị trường. Điều này là do những hạn chế trong quá trình chuyển đổi gen ở cây trồng, thời gian phát triển sản phẩm, gánh nặng pháp lý và sự phản đối của người tiêu dùng đối với cây trồng chuyển gene. Do đó, các nhà nghiên cứu phát triển phương pháp làm suy giảm biểu hiện gene tại chỗ do dsRNA hoặc siRNA bằng cách phun (Spray-Induced Gene Silence - SIGS) mang lại khả năng tiếp cận đặc hiệu, không cần chuyển gen, thân thiện với môi trường và được phát triển nhanh chóng để hạn chế mất mùa do sâu bệnh. Tuy nhiên, do dsRNA không bền ở dạng tự nhiên, nên làm thế nào để đảm bảo tính ổn định của dsRNA là một trong những thách thức quan trọng nhất trong việc thương mại hóa chế phẩm này.
Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm nhiều chiến lược khác nhau để cải thiện tính ổn định dsRNA, trong đó vật liệu nano là một ứng viên tiềm năng, hoạt động như một chất mang với nhiều ưu thế. Đầu tiên, các chất mang nano có thể cách ly dsRNA khỏi những điều kiện không thuận lợi từ môi trường bên ngoài, khắc phục các tác động bất lợi của bức xạ cực tím, sự phá hủy do mưa, sự phân hủy RNA và cải thiện độ bám dính của dsRNA. Thứ hai, hạt nano còn giúp nâng cao khả năng nhắm đích của dsRNA, từ đó tăng cường hiệu quả và giảm thiểu tác dụng không mong muốn. Thứ ba, việc sử dụng vật liệu nano làm chất mang dsRNA giúp tăng khả năng xâm nhập vào của tế bào côn trùng, cải thiện khả năng diệt côn trùng. Thứ tư, các chất mang nano cũng có thể cải thiện độ nhạy của dsRNA được phun trên cây trồng và tác động lên côn trùng mục tiêu. Trên hình 1 trình bày ứng dụng của chất mang nano trong việc cải thiện hiệu quả của dsRNA/RNAi.
Hình 1. Ứng dụng của chất mang nano trong việc cải thiện hiệu quả của dsRNA/RNAi.
Một ví dụ điển hình trong việc ứng dụng vật liệu nano làm chất mang của dsRNA là BioClay (xem hình 2) dạng phun lá. Chế phẩm sinh học này sử dụng các hạt đất sét có kích thước nano để tăng cường độ bền của RNA trên thực vật và kéo dài tác dụng của nó chống lại một số mầm bệnh trên cây cà chua, cây đậu gà, cây thuốc lá, … BioClay đã tăng thời gian bảo vệ từ 1 lên 3 tuần trên lá cà chua và từ 5 đến 10 ngày trên quả cà chua, khi so sánh với dsRNA trần. Ở những cây đậu gà đang ra hoa, BioClay mang lại khả năng bảo vệ kéo dài lên đến 4 tuần, bao gồm cả giai đoạn quan trọng của quá trình tạo quả, trong khi dsRNA trần trụi chỉ mang lại khả năng bảo vệ hạn chế. Hơn nữa, BioClay chỉ tiêu diệt các mầm bệnh được nhắm tới mà không làm hại đến các côn trùng có lợi cho cây trồng. Ngoài ra, đất sét trong BioClay hoàn toàn có thể phân hủy khi có sự hiện diện của hơi nước và carbon dioxide. dsRNA được giải phóng từ từ lên trên bề mặt lá, sau khi xâm nhập vào tế bào thực vật được cắt thành nhiều phần nhỏ bởi các enzyme của cây. Những mảnh nhỏ này chỉ tấn công mầm bệnh khi nó lây nhiễm vào cây mà không làm biến đổi hệ gene cây trồng. Trong khi đó, các thuốc trừ sâu hóa học thông thường có thể làm nhiễm độc nước, tác động tiêu cực đến sức khỏe con người và giết cả những côn trùng thực sự có lợi cho cây trồng.
Hình 2: Cấu trúc của BioClay gồm dsRNA được nạp vào các tấm nano đất sét.
Ngoài hạt nano đất sét, nhiều loại vật liệu nano vô cơ (ống nano carbon, chấm nano carbon, hạt nano vàng,…) và vật liêu nano hữu cơ (liposome, peptides, …) cũng được sử dụng làm chất mang dsRNA và mang đến kết quả khả quan. Hiện tại, mặc dù đã chứng minh được hiệu quả ngăn chặn sâu bệnh, các nghiên cứu về độ an toàn, cũng như tác động lâu dài lên môi trường và sức khỏe con người và các loài động, thực vật khác cần được thực hiện nghiêm ngặt và kỹ lưỡng trước khi thương mại hóa các chế phẩm này.
KẾT LUẬN
Ở nước ta, nông nghiệp nói chung và trồng trọt nói riêng đóng góp tích cực vào sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Trong đó, việc kiểm soát sâu bệnh có vai trò quan trọng nhằm nâng cao năng suất và chất lượng nông sản. Nhận thấy được tiềm năng của công nghệ nano trong lĩnh vực bảo vệ thực vật, phòng Công nghệ tích hợp dựa trên IT-BT thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hàn Quốc đang triển khai phát triển và ứng dụng các vật liệu nano trong việc chẩn đoán và phát hiện mầm bệnh trên cây trồng. Trong tương lai, phòng nghiên cứu của chúng tôi mong muốn mở rộng ứng dụng của các vật liệu nano này để phục vụ cho công tác bảo vệ cây trồng.
Tài liệu tham khảo
McRae, A.G., Taneja, J., Yee, K., Shi, X., Haridas, S., LaButti, K. et al. (2023) Spray-induced gene silencing to identify powdery mildew gene targets and processes for powdery mildew control. Molecular Plant Pathology, 24, 1168–1183. Available from: https://doi.org/10.1111/mpp.13361
Yang W, Wang B, Lei G, Chen G, Liu D. Advances in nanocarriers to improve the stability of dsRNA in the environment. Front Bioeng Biotechnol. 2022 Aug 16;10:974646. doi: 10.3389/fbioe.2022.974646. PMID: 36051593; PMCID: PMC9424858.
Niño-Sánchez J, Sambasivam PT, Sawyer A, Hamby R, Chen A, Czislowski E, Li P, Manzie N, Gardiner DM, Ford R, Xu ZP, Mitter N, Jin H. BioClay™ prolongs RNA interference-mediated crop protection against Botrytis cinerea. J Integr Plant Biol. 2022 Nov;64(11):2187-2198. doi: 10.1111/jipb.13353. Epub 2022 Oct 11. PMID: 36040241; PMCID: PMC10464624.
Mitter, N., Worrall, E., Robinson, K. et al. Clay nanosheets for topical delivery of RNAi for sustained protection against plant viruses. Nature Plants 3, 16207 (2017). https://doi.org/10.1038/nplants.2016.207
https://www.uq.edu.au/research/impact/stories/spray-on-protection/
ThS. Trần Thị Thùy Dương
Phòng Công nghệ Tích hợp IT-BT
