Sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng

Phage

Thực khuẩn thể (bacteriophage hay phage) là loại virus có khả năng phân rã vi khuẩn và nhân lên, được phát hiện đầu tiên bởi Frederick William Twort vào năm 1915. Năm 1917, Félix d'Herelle phát hiện chúng có khả năng giết vi khuẩn. Phage tồn tại trong tự nhiên ở các loại môi trường, ký sinh trong tế bào vi khuẩn và chỉ tác động chọn lọc lên một loài vi khuẩn đặc trưng.

Phage có cấu trúc đơn giản (Hình 1) gồm các protein (60%) bao bọc bộ gen DNA hoặc RNA (40%), có các dạng: hình khối có đuôi, hình khối không đuôi, và dạng que hay sợi. Khoảng 5.100 phage đã được nhận diện và phân thành 13 họ, trong đó 96% thuộc nhóm có đuôi, chia thành 3 họ theo hình dáng của đuôi, là Myoviridae, Siphoviridae và Podoviridae.

Hình 1: Cấu trúc phage

Chu trình tan của phage (lytic cycle) là chu trình phân rã vi khuẩn và phóng thích phage trưởng thành. Bắt đầu là phage bám vào vách tế bào vi khuẩn và phân giải nhờ hệ thống enzyme để xâm nhập vào bên trong, phá hủy ADN tế bào vi khuẩn. Tiếp theo là quá trình sinh tổng hợp, tạo ra các tiểu thể virus mới, làm phân rã vi khuẩn và phóng thích các phage trưởng thành. Các phage có khả năng phân rã vi khuẩn trong thời gian ngắn gọi là phage độc, là tác nhân diệt khuẩn chính xác, đặc hiệu và không ảnh hưởng đến vi khuẩn không phải vật chủ (Hình 2).  

Hình 2: Chu trình tan của phage (lytic cycle)

Do tính đặc hiệu của phage đối với vi khuẩn mục tiêu rất cao nên sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh đòi hỏi nghiên cứu chi tiết về sinh học cũng như các đặc tính di truyền của nó để đảm bảo loại trừ được vi khuẩn gây bệnh, cũng như cần nghiên cứu sử dụng hỗn hợp các phage khác nhau đối với phạm vi các vi khuẩn mục tiêu khác nhau. Bảng 1 giới thiệu một số nghiên cứu sử dụng phage để kiểm soát dịch bệnh trên cây trồng đã được công bố.

Bảng 1: Một số nghiên cứu sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng

Ghi chú: * nguồn: Antonet Svircev, Dwayne Roach  và  Alan Castle; Framing the Future with Bacteriophages in Agriculture.

Triển vọng của liệu pháp phage trong bảo vệ cây trồng đã được Dominique Holtappels, Rob Lavigne, Isabelle Huys  và Jeroen Wagemans trình bày trong tài liệu “Protection of phage applications in crop production: a patent landscapes” dựa trên khảo sát và phân tích các bài báo khoa học (trên Web of Science và PubMed) và tư liệu sáng chế (từ EspaceNet, Patent Scope, Google Patents). Theo đó,  từ năm 1984-2018 trên thế giới có 97 đơn đăng ký sáng chế liên quan đến liệu pháp phage trong kiểm soát dịch bệnh cây trồng. Tuy nhiên, giai đoạn 1987-2002  không xuất hiện sáng chế nào, số lượng sáng chế lĩnh vực này mới gia tăng kể từ năm 2011 đến nay, có nhiều sáng chế nhất là năm 1013. Có 137 bài báo khoa học liên quan đến sử dụng phage cho cây trồng được tìm thấy trong giai đoạn 1984 đến 2019. Từ năm 2011 trở về trước có rất ít các bài báo đề cập đến lĩnh vực này, thậm chí giai đoạn 1994-1990  không có bài báo liên quan đến sử dụng phage trong nông nghiệp được công bố, tuy nhiên các bài báo khoa học về liệu pháp phage trong cây trồng có xu hướng tăng trong những năm gần đây (BĐ1).

BĐ1: Xu hướng sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng

Nguồn: Dominique Holtappels, Rob Lavigne, Isabelle Huys, và Jeroen Wagemans; protection of phage applications in crop production: a patent landscapes.

Phân tích theo các loại vi khuẩn gây hại cây trồng được nghiên cứu xử lý bằng liệu pháp phage đề cập trong các bài báo khoa học và thông tin sáng chế cho thấy, xuất hiện nhiều nhất là các vi khuẩn Ralstonia  (16% trong bài báo khoa học, 27%  trong sáng chế), Xanthomonas/Xylella (15% trong bài báo khoa học, 16 % trong sáng chế) và Dickeya/Pectobacterium (12% trong bài báo khoa học, 10%  trong sáng chế) (BĐ2).

BĐ2: Các vi khuẩn được xử lý bằng phage trong bài báo khoa học và sáng chế được công bố

Nguồn: Dominique Holtappels, Rob Lavigne, Isabelle Huys, và Jeroen Wagemans; protection of phage applications in crop production: a patent landscapes.

Phần lớn các bài báo khoa học có nội dung tập trung vào sự phân lập và đặc tính cơ bản của phage, chiếm đến 84%; 36% về thành phần hỗn hợp phage và 39% sử dụng phage hay hỗn hợp phage trong các thử nghiệm sinh học và thực địa. Phương pháp sản xuất phage ít được đề cập (4%). 

Đối với các sáng chế, có 90% đề cập đến việc sử dụng các phage để kiểm soát dịch bệnh cây trồng, 76 % về thành phần của sản phẩm phage, 62% về phage và 24% về việc sản xuất các sản phẩm phage (BĐ3). 

BĐ3: Nội dung trong các sáng chế và bài báo khoa học liên quan đến liệu pháp phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng

Nguồn: Dominique Holtappels, Rob Lavigne, Isabelle Huys, và Jeroen Wagemans; protection of phage applications in crop production: a patent landscapes.

Phần lớn đơn đăng ký sáng chế sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng được nộp ở châu Á (43%), trong đó 45% ở Trung Quốc, 31% ở Nhật, 21% ở Hàn Quốc và 2% ở Ấn Độ; kế đến là Bắc Mỹ (16%). Phân tích tình trạng pháp lý cho thấy,  33%  đơn sáng chế được cấp bằng ở châu Á, con số này là 25% ở Bắc Mỹ và 8% ở châu Âu (BĐ4).

BĐ4: Đăng ký sáng chế liên quan đến sử dụng phage kiểm soát dịch bệnh cây trồng theo khu vực

Nguồn: Dominique Holtappels, Rob Lavigne, Isabelle Huys, và Jeroen Wagemans; protection of phage applications in crop production: a patent landscapes.

Vũ Trung (CESTI)