Đây là một loại thực phẩm bổ sung đột phá nhằm cứu loài ong mật khỏi sự suy giảm nghiêm trọng. Bằng cách biến đổi men để sản xuất sáu loại sterol thiết yếu có trong phấn hoa, các nhà nghiên cứu đã cung cấp cho ong một chế độ ăn uống đầy đủ dinh dưỡng, giúp tăng khả năng sinh sản lên đến 15 lần. Khác với các sản phẩm thay thế thương mại thường thiếu chất dinh dưỡng, loại thực phẩm bổ sung này mô phỏng cấu trúc sterol của phấn hoa tự nhiên, mang lại cho ong một chế độ ăn uống cân bằng.
Một nghiên cứu mới do Đại học Oxford dẫn đầu, phối hợp với Vườn Bách thảo Hoàng gia Kew, Đại học Greenwich và Đại học Kỹ thuật Đan Mạch, có thể cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí và bền vững để giải quyết tình trạng suy giảm nghiêm trọng của đàn ong mật. Một loại thực phẩm bổ sung được thiết kế để cung cấp các hợp chất thiết yếu có trong phấn hoa thực vật đã được phát hiện có khả năng tăng cường đáng kể khả năng sinh sản của đàn ong. Kết quả nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 20/8.
Thách thức: Giải quyết tình trạng thiếu hụt dinh dưỡng nghiêm trọng
Biến đổi khí hậu và thâm canh nông nghiệp đã làm giảm sự đa dạng của hoa - điều kiện cần thiết cho sự phát triển của ong mật. Phấn hoa, thành phần chính trong chế độ ăn của ong, chứa các lipid đặc hiệu gọi là sterol, cần thiết cho sự phát triển của chúng. Ngày càng nhiều người nuôi ong đã phải sử dụng các chất thay thế phấn hoa nhân tạo do thiếu phấn hoa tự nhiên. Tuy nhiên, các chất bổ sung thương mại này thường được làm từ bột protein, đường và dầu song thiếu các hợp chất sterol cần thiết, khiến chúng không đầy đủ về mặt dinh dưỡng.
Trong nghiên cứu mới, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc biến đổi gen nấm men Yarrowia lipolytica để tạo ra một hỗn hợp chính xác gồm sáu loại sterol mà ong cần. Hỗn hợp này đã được đưa vào chế độ ăn của đàn ong trong các thử nghiệm cho ăn kéo dài ba tháng, được thực hiện trong nhà kính kín để đảm bảo ong chỉ tiêu thụ chế độ ăn thử nghiệm.
Những phát hiện chính:
Vào cuối giai đoạn nghiên cứu, các đàn ong được cho ăn men giàu sterol đã nuôi được số lượng ấu trùng sống đến giai đoạn nhộng cao gấp 15 lần so với các đàn ong được cho ăn chế độ ăn đối chứng.
Các đàn ong được cho ăn chế độ ăn giàu sterol có khả năng tiếp tục nuôi ấu trùng cho đến hết giai đoạn ba tháng, trong khi các đàn ong được cho ăn chế độ ăn thiếu sterol đã ngừng sản xuất ấu trùng sau 90 ngày.
Đáng chú ý, thành phần sterol của ấu trùng trong các đàn ong được cho ăn men biến đổi gen tương đương với thành phần sterol tìm thấy trong các đàn ong kiếm ăn tự nhiên, cho thấy rằng ong chỉ chuyển giao một cách chọn lọc những sterol quan trọng nhất về mặt sinh học cho con non của chúng.
Tác giả chính của nghiên cứu, Giáo sư Geraldine Wright từ Khoa Sinh học, Đại học Oxford, cho biết: "Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng chúng ta có thể khai thác sinh học tổng hợp để giải quyết các thách thức sinh thái thực tế. Hầu hết các sterol trong phấn hoa mà ong sử dụng không có sẵn trong tự nhiên với số lượng đủ để khai thác thương mại, khiến việc tạo ra một loại thức ăn hoàn chỉnh về mặt dinh dưỡng thay thế cho phấn hoa trở nên bất khả thi."
Tác giả chính, Tiến sĩ Elynor Moore từ Khoa Sinh học (nay là Đại học Công nghệ Delft), bổ sung: "Đối với ong, sự khác biệt giữa chế độ ăn giàu sterol và thức ăn thông thường dành cho ong tương tự như sự khác biệt giữa việc ăn những bữa ăn cân bằng, đầy đủ dinh dưỡng và những bữa ăn thiếu các chất dinh dưỡng thiết yếu như axit béo thiết yếu đối với con người. Nhờ công nghệ lên men chính xác, giờ đây chúng tôi có thể cung cấp cho ong loại thức ăn được thiết kế riêng, hoàn chỉnh về mặt dinh dưỡng ở cấp độ phân tử."
Từ phấn hoa đến dinh dưỡng chính xác: Xác định và sản xuất các sterol quan trọng của ong
Trước nghiên cứu này, người ta vẫn chưa rõ loại sterol nào trong phấn hoa là quan trọng đối với sức khỏe của ong. Để giải đáp vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phân tích thành phần sterol trong các mẫu mô thu thập từ nhộng và ong trưởng thành bằng phương pháp hóa học. Quy trình này đòi hỏi sự tỉ mỉ cao, chẳng hạn như phải mổ từng con ong thợ để tách ruột. Phân tích đã xác định được sáu hợp chất sterol chính thường chiếm ưu thế trong mô ong: 24-methylenecholesterol, campesterol, isofucosterol, β-sitosterol, cholesterol và desmosterol.
Sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9, các nhà nghiên cứu đã thiết kế chủng nấm men Yarrowia lipolytica để sản xuất các sterol này một cách bền vững và tiết kiệm chi phí. Nấm Y. lipolytica được chọn vì nó có hàm lượng lipid cao, đã được chứng minh là an toàn cho thực phẩm và đã được sử dụng để bổ sung vào thức ăn nuôi trồng thủy sản. Để sản xuất chất bổ sung giàu sterol, sinh khối nấm men biến đổi gen đã được nuôi cấy trong các lò phản ứng sinh học, sau đó thu hoạch và sấy khô thành bột.
Đồng tác giả, Giáo sư Irina Borodina thuộc Trung tâm Phát triển Bền vững Sinh học NNF, Đại học Kỹ thuật Đan Mạch cho biết: "Chúng tôi chọn nấm men dầu Yarrowia lipolytica làm nhà máy tế bào vì nó rất tốt trong việc tạo ra các hợp chất có nguồn gốc từ acetyl-CoA, chẳng hạn như lipid và sterol, và vì loại nấm men này an toàn và dễ dàng mở rộng quy mô. Nó được sử dụng trong công nghiệp để sản xuất enzyme, axit béo omega-3, glycoside steviol làm chất tạo ngọt không calo, pheromone để diệt trừ sâu bệnh và các sản phẩm khác."
Lợi ích cho nông nghiệp và đa dạng sinh học
Các loài thụ phấn như ong mật đóng góp vào sản lượng hơn 70% các loại cây trồng hàng đầu toàn cầu. Sự suy giảm quần thể nghiêm trọng do sự kết hợp của tình trạng thiếu hụt dinh dưỡng, biến đổi khí hậu, sự xâm nhập của ve, bệnh do virus và phơi nhiễm thuốc trừ sâu đang đặt ra mối đe dọa đáng kể đối với an ninh lương thực và đa dạng sinh học. Ví dụ, trong thập kỷ qua, tỷ lệ mất đàn ong mật thương mại hàng năm ở Hoa Kỳ thường dao động từ 40 đến 50%, và có thể đạt 60 đến 70% vào năm 2025. Loại thực phẩm bổ sung mới này cung cấp một phương tiện thiết thực để tăng cường khả năng phục hồi của đàn ong mà không làm cạn kiệt thêm nguồn tài nguyên hoa tự nhiên. Vì sinh khối nấm men cũng chứa các protein và lipid có lợi, nên nó có tiềm năng được mở rộng thành một loại thức ăn toàn diện cho ong.
Giáo sư Phil Stevenson thuộc RBG Kew và Viện Tài nguyên Thiên nhiên, Đại học Greenwich và là đồng tác giả, cho biết thêm: "Ong mật là loài thụ phấn cực kỳ quan trọng đối với việc sản xuất các loại cây trồng như hạnh nhân, táo và anh đào, do đó chúng hiện diện với số lượng rất lớn ở một số vùng trồng trọt, điều này có thể gây áp lực lên các loài hoa dại vốn đã hạn chế. Do đó, loại thực phẩm bổ sung mới này có thể mang lại lợi ích cho các loài ong hoang dã bằng cách giảm sự cạnh tranh giành nguồn cung phấn hoa hạn chế."
Danielle Downey, Giám đốc Điều hành của tổ chức phi lợi nhuận nghiên cứu ong mật Project Apis m., không liên kết với nghiên cứu cho biết: "Chúng ta phụ thuộc vào ong mật để thụ phấn cho một phần ba lượng thức ăn của chúng ta, nhưng ong phải đối mặt với nhiều tác nhân gây căng thẳng. Dinh dưỡng tốt là một cách để cải thiện khả năng chống chịu của chúng trước những mối đe dọa này, và trong bối cảnh nguồn thức ăn tự nhiên cho ong đang cạn kiệt, một loại thực phẩm bổ sung hoàn chỉnh hơn có thể là một bước ngoặt. Khám phá đột phá này về các chất dinh dưỡng thực vật quan trọng, khi được bổ sung vào thức ăn bổ sung, cho phép nuôi ong mật con bền vững, có tiềm năng to lớn trong việc cải thiện sự sống còn của đàn ong, và từ đó cải thiện các hoạt động kinh doanh nuôi ong mà chúng ta phụ thuộc vào để sản xuất thực phẩm."
Các bước tiếp theo và ứng dụng trong tương lai
Mặc dù những kết quả ban đầu này rất hứa hẹn, nhưng cần có thêm các thử nghiệm thực địa quy mô lớn để đánh giá tác động lâu dài đến sức khỏe của đàn ong và hiệu quả thụ phấn. Sản phẩm bổ sung này dự kiến sẽ được cung cấp cho nông dân trong vòng hai năm tới.
Công nghệ mới này cũng có tiềm năng để phát triển các chất bổ sung chế độ ăn cho các loài thụ phấn khác hoặc côn trùng nuôi, mở ra những hướng đi mới cho nền nông nghiệp bền vững.
