Lớp vỏ cây vân sam vốn chứa hàm lượng cao các hợp chất phenolic, một loại vũ khí tự nhiên giúp cây chống lại các loài nấm gây hại. Nhóm nghiên cứu tại Viện Sinh thái Hóa học Max Planck tại Jena đã thực hiện các khảo sát chuyên sâu để tìm hiểu cách thức những chất phòng vệ này di chuyển xuyên suốt mạng lưới thức ăn trong rừng. Trọng tâm nghiên cứu xoay quanh loài bọ cánh cứng Ips typographus, sinh vật trực tiếp tiêu thụ mô cây chứa các hợp chất phenolic. Câu hỏi đặt ra là liệu loài côn trùng này có khả năng tái sử dụng kho vũ khí hóa học của cây chủ để chống lại các mối đe dọa từ bên ngoài hay không.
Để bóc tách cơ chế này, các nhà khoa học đã ứng dụng những kỹ thuật phân tích hiện đại như phép đo khối phổ và cộng hưởng từ hạt nhân nhằm định danh và theo dõi lộ trình của các chất hóa học từ cây sang bọ. Kết quả cho thấy khi ăn vỏ cây, bọ cánh cứng hấp thụ các glycoside phenolic từ mạch rây, tiêu biểu là stilbene và flavonoid.
Ngay khi tiến vào cơ thể bọ cánh cứng, những hợp chất trên được tái cấu trúc hóa học để chuyển hóa thành aglycone. Đây là dạng hợp chất không còn chứa phân tử đường và sở hữu khả năng kháng khuẩn mạnh hơn gấp nhiều lần so với nguyên bản. Việc biến đổi các chất phòng vệ của cây chủ thành những dẫn xuất độc hại hơn một cách có mục tiêu là một chiến lược tự vệ tinh vi mà nhóm nghiên cứu chưa từng dự đoán tới. Tác giả chính của nghiên cứu, Ruo Sun từ Khoa Hóa sinh, nhận định những chất được biến đổi này cung cấp cho bọ cánh cứng một "tấm khiên" hữu hiệu chống lại các loại nấm ký sinh.
Loại nấm có khả năng phá hủy tấm khiên hóa học của bọ cánh cứng
Sau khi xác định được hệ thống phòng thủ của bọ cánh cứng, các nhà khoa học tiếp tục phân tích phản ứng của nấm Beauveria bassiana đối với cơ chế này. Ruo Sun giải thích rằng dù loài nấm này trước đây ít được dùng để kiểm soát bọ cánh cứng, nhóm nghiên cứu vẫn phát hiện một số chủng nấm có khả năng lây nhiễm và tiêu diệt bọ trong tự nhiên. Do đó, việc làm rõ cách thức nấm vượt qua "lớp giáp" hóa học trở thành ưu tiên hàng đầu.
Các thử nghiệm enzym trong phòng thí nghiệm tiết lộ loài nấm này sử dụng chiến lược giải độc hai bước hết sức tinh vi. Bước đầu tiên là quá trình glycosyl hóa nhằm gắn phân tử đường trở lại các aglycone độc hại. Tiếp theo là quá trình methyl hóa để gắn thêm nhóm methyl vào phân tử đường đó. Sản phẩm cuối cùng được gọi là methylglycoside, một dạng hợp chất hoàn toàn vô hại đối với nấm Beauveria bassiana.
Sự biến đổi hóa học này tạo điều kiện cho nấm xâm nhập và lây nhiễm mạnh mẽ lên những con bọ cánh cứng từng ăn vỏ cây vân sam giàu phenolic. Đáng chú ý, các methylglycoside này có khả năng kháng lại enzym của bọ cánh cứng, ngăn chặn quá trình thủy phân vốn có thể khôi phục độc tính của các hợp chất phòng vệ.
Cơ chế giải độc được xác nhận qua nghiên cứu di truyền
Để củng cố kết luận, nhóm nghiên cứu đã tiến hành vô hiệu hóa các gen chịu trách nhiệm cho quá trình methylglycosyl hóa ở nấm Beauveria bassiana. Những cá thể nấm bị đột biến gen này cho thấy tỷ lệ lây nhiễm bọ cánh cứng thấp hơn rõ rệt. Phát hiện này khẳng định quá trình giải độc là chìa khóa then chốt để nấm vượt qua hệ thống phòng ngự hóa học của côn trùng.
Nghiên cứu làm sáng tỏ cách các hợp chất bảo vệ của thực vật liên tục thay đổi hình thái khi di chuyển từ cây sang côn trùng và cuối cùng là tác nhân gây bệnh. Những biến đổi này mang ý nghĩa sống còn trong cuộc đấu tranh sinh tồn giữa các loài. Nhà nghiên cứu Jonathan Gershenzon nhấn mạnh bọ cánh cứng đã chiếm dụng vũ khí của cây để chống lại kẻ thù, nhưng nấm Beauveria bassiana đã phát triển khả năng "bẻ khóa" loại vũ khí đó. Nhờ vậy, loài nấm này vô tình trở thành đồng minh của cây vân sam trong cuộc chiến chống lại bọ cánh cứng.
Nâng cao hiệu quả kiểm soát sinh học đối với bọ cánh cứng
Những dữ liệu mới giúp giới khoa học tối ưu hóa các phương pháp kiểm soát dịch hại bằng tác nhân sinh học. Việc xác định được các chủng nấm có khả năng chịu đựng và giải độc các hợp chất phenolic kháng khuẩn giúp con người chọn lọc được "vũ khí" hiệu quả nhất để bảo vệ rừng. Nhà khoa học Ruo Sun cũng lưu ý rằng nghiên cứu này nhắc nhở chúng ta cần đánh giá kỹ lưỡng khả năng kháng thuốc hoặc các chiến lược giải độc của sâu bệnh khi áp dụng các loại thuốc trừ sâu sinh học.
Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến mở rộng khảo sát về mức độ phổ biến của con đường giải độc methylglycosyl hóa trên nhiều chủng nấm khác nhau. Việc hiểu rõ cách thức con đường này tương tác với các đặc tính sinh học khác của nấm sẽ giúp dự đoán chính xác hơn khả năng lây nhiễm thành công trên các loài côn trùng gây hại khác.
