Có lẽ chưa bao giờ vấn đề môi trường và sức khỏe cộng đồng lại nóng như lúc này. Một trong những nguyên nhân mà ai cũng biết là phân bón hóa học và hóa chất bảo vệ thực vật. Thuốc hóa học trừ sâu ngoài những cái lợi trước mắt là giành lấy nguồn nông sản từ dịch hại côn trùng cũng mang lại nhiều cái hại không kể xiết: hủy hoại môi trường, làm thay đổi chuỗi sinh thái tự nhiên do thuốc hóa học diệt luôn cả thiên địch (có lợi) và ngấm vào nông sản gây độc cho người, động vật sử dụng chúng, ngầm vào nguồn nước làm ô nhiễm môi trường sinh thái gây nhiều bệnh tật hiểm nguy. Chính vì tác hại như trên, nhiều chuyên gia sinh học khuyến cáo cấm hẳn việc sản xuất hoặc du nhập các loại hóa chất bảo vệ thực vật và tăng cường sử dụng thuốc sinh học thay thế hóa chất bảo vệ thực vật. Một trong những ứng viên sinh học là sử dụng tuyến trùng ký sinh gây bệnh côn trùng (entomopathogenic nematodes-EPN). Tại sao lại gọi là tuyến trùng ký sinh - gây bệnh côn trùng và thực chất đây là nhóm sinh vật gì mà được các nhà khoa học trên toàn thế giới ca ngợi là “thuốc sinh học lý tưởng” hay “thuốc sinh học của thế kỷ 21”.
Bí ẩn tuyệt vời của tuyến trùng EPN
Các loài tuyến trùng ký sinh gây bệnh côn trùng thuộc 2 giống tuyến trùng Steinernema và Heterorhabditis thực chất là những tổ hợp cộng sinh bắt buộc giữa tuyến trùng ký sinh và vi khuẩn gây bệnh giống Xenorhabdus và Photohadus tạo nên những tổ hợp sinh học tuyệt vời trong tự nhiên là tổ hợp ký sinh gây bệnh tuyến trùng - vi khuẩn. Trong tổ hợp các ấu trùng cảm nhiễm của loài tuyến trùng luôn chứa sẵn vi khuẩn cộng sinh ở dạng bất hoạt trong ống tiêu hóa khi tuyến trùng xâm nhập vào cơ thể vật chủ côn trùng các vi khuẩn này được giải phóng vào cơ thể côn trùng và nhanh chóng phát triển sinh ra một số độc tố giết chết côn trùng trong vòng 24-48 giờ.
Quá trình xâm nhập và tái sinh của tuyến trùng EPN
Ở giai đoạn mới xâm nhập tuyến trùng nhờ nguồn vi khuẩn cộng sinh này mà phát triển thành con trưởng thành bên trong xác chết côn trùng. Sau đó tuyến trùng trưởng thành này tiếp tục sử dụng xác chết côn trùng như nguồn dinh dưỡng để sinh sôi, nảy nở qua 2-3 thế hệ, để sản sinh ra hàng trăm ngàn tuyến trùng cảm nhiễm mới. Như vậy, từ một vài ấu trùng cảm nhiễm ban đầu không những gây chết côn trùng mà con sử dụng chính xác chết côn trùng để “tái sinh” ra hàng trăm ngàn tuyến trùng mới- tạo phản ứng dây truyền trong phòng trừ sinh học.
Kết quả tái sinh tạo ra hàng loạt tuyến trùng EPN mới
Những tổ hợp sinh học này có nhiều ưu thế về mặt sinh học (vừa ký sinh vừa gây bệnh) cũng như về mặt công nghệ (sản xuất sinh khối) nên được nghiên cứu tạo ra các thuốc sinh học tuyến trùng phòng trừ sinh học (PTSH) sâu hại. Điều tuyệt vời là các thuốc sinh học tuyến trùng này chỉ diệt côn trùng sâu bọ và một số động vật không xương sống mà không thể tồn tại trong người và các động vật máu nóng khác. Tức là an toàn đối với con người và các động vật có ích.
Theo GS Nguyễn Ngọc Châu, các tổ hợp tuyến trùng – vi khuẩn một khi đã xâm nhập giết chết sâu hại, vi khuẩn cộng sinh cũng tạo ra hàng loạt hoạt chất có tác dụng “hoạt hóa” toàn bộ nội quan côn trùng thành nguồn dinh dưỡng cho tuyến trùng phát triển, đồng thời ngăn ngừa các tác nhân gây bệnh khác xâm nhập “chia phần”. Vì vậy côn trùng chết bởi tuyến trùng EPN có đặc trưng là lớp da ki tin bao bọc trở nên mềm, dai và trong suốt, xác chết hoàn toàn không có mùi hôi thối. Cũng vì vậy, ngoài ý nghĩa sử dụng tuyến trùng EPN trong PTSH sâu hại, các nhà khoa học còn quan tâm nghiên cứu các hợp chất sinh học do vi khuẩn cộng sinh tiết ra để tạo nguồn kháng sinh thế hệ mới trong sinh học.
Theo GS Nguyễn Ngọc Châu, trong tự nhiên có hàng trăm loài tuyến trùng EPN, hầu như ở đâu có hệ sinh thái côn trùng đất – thực tế có đến 80% côn trùng sống trong môi trường đất hoặc có một giai đoạn ở trong đất - ở đó tồn tại các tổ hợp sinh học này. Đặc biệt trong các hệ sinh thái rừng tự nhiên khá sẵn nguồn tuyến trùng này. Tuy nhiên do hoạt động khai thác, rừng tự nhiên bị thu hẹp, do sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật, hệ sinh thái nông nghiệp hầu như không còn tồn tại nguồn thiên dịch này. Vì vậy, việc điều tra thu thập nguồn tài nguyên EPN ngày càng trở nên cần thiết.
Trong PTSH, việc nhập nội các tác nhân sinh học không phải bao giờ cũng mang lại hiệu quả mong muốn. Thực tế cho thấy chỉ khoảng 30% các chủng nhập nội cho kết quả tốt. Ngoài ra, các chủng nhập nội nếu không được thuần hóa tốt bao giờ cũng giảm hiệu lực nhanh chóng sau một thời gian sử dụng. Việc tìm kiếm các chủng tuyến trùng bản địa có tiềm năng cho PTSH luôn được quan tâm ở bất kỳ quốc gia nào. Mặc dù hầu hết các loài tuyến trùng EPN đều có tiềm năng phòng trừ sâu hại nhưng hiệu lực diệt côn trùng của các loài rất khác nhau, thậm chí khác nhau giữa các chủng trong cùng một loài. Vì vậy, việc điều tra phát hiện và thu thập các chủng, loài EPN bản địa luôn có ý nghĩa quan trọng nhằm mục đích: i) xác định sự hiện diện và phân bố của EPN tại một vùng lãnh thổ, một quốc gia và bổ sung danh sách EPN cho thế giới; ii) có chiến lược duy trì bảo tồn EPN như một nguồn thiên địch tự nhiên; iii) thu thập và nhân nuôi để đánh giá tiềm năng PTSH của các chủng EPN bản địa đối với sâu hại tại địa phương; và iv) cung cấp vật liệu ban đầu để sản xuất sinh khối lớn phục vụ cho PTSH.
Ý tưởng bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN
Theo GS Nguyễn Ngọc Châu, chuyên gia hàng đầu trong nghiên cứu tuyến trùng EPN ở Việt Nam đến nay nhóm nghiên cứu của ông đã phân lập được 65 chủng thuộc 18 loài, trong đó có 47 chủng thuộc 16 loài giống Steinernema và 18 chủng thuộc 2 loài của giống Heterorhabditis. Kết quả điều tra cho thấy ở Việt Nam, hầu hết các chủng tuyến trùng EPN được phân lập từ các rừng tự nhiên mà chủ yếu là từ các hệ sinh thái tự nhiên (rừng nguyên sinh, các khu bảo tồn và hệ sinh thái hoang sơ ven biển), trong khi ở hệ sinh thái nông nghiệp thì rất hãn hữu.
Ngay cả các khu rừng thiên nhiên và các khu bảo tồn cũng đang có nguy cơ bị đe dọa thu hẹp thảm thực vật nguyên sinh, do nạn khai thác bừa bãi. Tình trạng này đe dọa sự suy giảm hoặc biến mất nguồn tài nguyên sinh vật có ích, trong đó có nguồn tuyến trùng EPN. Vì vậy, cần có giải pháp duy trì bảo quản các chủng EPN để đánh giá khả năng sinh học và cung cấp vật liệu cho sản xuất thuốc sinh học phòng trừ sâu hại. Tuy nhiên, hiện nay, biện pháp duy trì bảo quản bằng nhân nuôi liên tục trên ấu trùng BSL (Galleria mellonella), vừa tốn công sức, chi phí, vừa bị suy giảm độc lực. Vì vậy, bảo tồn chuyển vị (ex-situ) là giải pháp lưu giữ tự nhiên nguồn tài nguyên quan trọng này.
Để duy trì, gìn giữ các chủng tuyến trùng, người ta thường sử dụng 2 giải pháp: (a) Duy trì, bảo quản tuyến trùng EPN trong phòng thí nghiệm: bằng cách (i) Nhân nuôi in vivo định kỳ sử dụng bướm sáp lớn (BSL) hoặc một loại côn trùng thích hợp; hoặc (ii) Bảo quản đông lạnh tuyến trùng trong nitơ lỏng; và (b) Bảo tồn tuyến trùng EPN.
Như vậy, bảo tồn tuyến trùng EPN trong tự nhiên bao gồm: (i) Bảo tồn phòng trừ sinh học: Đây là hình thức bảo tồn, duy trì một chủng tuyến trùng có sẵn hoặc phun rải để phòng trừ một đối tượng sâu hại (như bảo tồn 3 loài tuyến trùng Steinernema riobrave, Heterorhaditis bacteriophora và H.indica để phòng trừ sâu đục thân cam, chanh (Diaprepes abbreviatus) ở bang Florida, Hoa Kỳ; bảo tồn 2 loài tuyến trùng Steinernema sp. SA và Steinernema sp. Q để phòng trừ loài sâu đục thân cây cọ đỏ do một loài xén tóc Rhynchophorus ferrugineus gây hại ở Ả-rập Xê-út và vùng Trung Đông; (ii) Bảo tồn tự nhiên với 2 phương thức là bảo tồn định vị (in-situ conservation) đối với các chủng tuyến trùng EPN hiện diện trong các khu bảo tồn tự nhiên, và bảo tồn chuyển vị (ex-situ conservation) bằng việc đưa các chủng tuyến trùng EPN thu được, phun rải tại một khu vực rừng tự nhiên khác với điều kiện được bảo vệ nghiêm ngặt.
Hiên nay hình thức duy trì bảo quản trong phòng thí nghiệm theo hình thức (a) như trên là khá phổ biến tại các cơ sở nghiên cứu tuyến trùng EPN. Tuy nhiên, theo GS Nguyễn Ngọc Châu, việc duy trì theo phương thức (a.i) như trên vừa mất thời gian, công sức, chi phí vừa có nguy cơ giảm độc lực các chủng tuyến trùng khi liên tục nhân nuôi trên một đối tượng côn trùng. Còn bảo quản theo hình thức (a.ii) đòi hỏi quy trình công nghệ xử lý thích hợp để tuyến trùng không bị chết trước khi đông lạnh, đồng thời chi phí mua nitơ lỏng và thiết bị bảo quản là khá tốn kém.
Bảo tồn in-situ là mô hình tốt nhất nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố tự nhiên và con người ở các khu bảo tồn. Những điều kiện chi phối tự nhiên như thiên tai, biến đổi khí hậu, v.v. Còn bảo tồn ex-situ thật chất là thu thập các chủng loài tuyến trùng từ nhiều vùng khác nhau mang về nhốt tại một vùng mới có đủ điều kiện sinh thái tự nhiên (thảm thực vật, độ ẩm đất đai, hệ côn trùng, …) để tuyến trùng tiếp tục tồn tại và phát triển. Khi cần khai thác chỉ cần ra các “ao nhà” đánh bắt cá lên sử dụng.
Như vậy bảo tồn ex-situ các loài tuyến trùng EPN do nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Ngọc Châu đề xuất và thực hiện là một ý tưởng hoàn toàn mới, mang lại nhiều ý nghĩa thiết thực. Với tính sáng tạo và giá trị ứng dụng cao trong việc tạo nguồn nguyên liệu sản xuất chế phẩm sinh học phòng trừ côn trùng GS Nguyễn Ngọc Châu và các cộng sự đã đề xuất “Quy trình bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN” gồm các bước dưới đây.
Chuẩn bị nguồn tuyến trùng EPN bản địa Việt Nam dùng cho bảo tồn ex-situ: Nguồn tuyến trùng để bảo tồn ex-situ là 12 chủng thuộc 10 loài tuyến trùng EPN do Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật phân lập và đang bảo quản. Đây là các chủng đã được đánh giá, tuyển chọn đáp ứng tiêu chí của tác nhân sinh học (Biological agent) là có độc lực cao đối với sâu hại và có khả năng sinh sản tốt trong các môi trường sản xuất (in vivo và in vitro), được sử dụng như vật liệu ban đầu để sản xuất các chế phẩm sinh học tuyến trùng.
Chọn địa điểm để phun rải tuyến trùng: Địa điểm bảo tồn các chủng tuyến trùng EPN là Trạm Đa dạng sinh học Mê Linh Vĩnh Phúc thuộc Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật.
Thiết kế các lô bảo tồn tuyến trùng EPN: Sau khi khảo sát thực địa khu vực Bảo tồn để chọn ra các địa điểm thích hợp làm lô bảo tồn chủng tuyến trùng (số lô bảo tồn ứng với số chủng tuyến trùng EPN). Các lô bảo tồn cách nhau ít nhất 50-100m để ngăn ngừa tuyến trùng có thể di chuyển pha trộn lẫn nhau, là những nơi đất tơi xốp, có nhiều mùn và lá cây mục, nơi được che phủ bằng thảm thực vật tốt, nguyên sinh. Toàn bộ khu bảo tồn tuyến trùng EPN là những nơi có đa dạng sinh học cao về côn trùng có thể sống và hoàn thành vòng đời trong đó có pha sống trong đất. Là những nới gần suối nước chảy có thể duy trì ẩm độ quanh năm và tạo điều kiện cho hệ thực vật và côn trùng phát triển
Tiến hành lập Hồ sơ bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN, bao gồm các thông tin: sơ đồ, địa điểm, tọa độ các lô bảo tồn.Thông tin chủng tuyến trùng được bảo tồn, gồm tên chủng tuyến trùng, loài tuyến trùng, đặc điểm hình thái như kích thước ấu trùng cảm nhiễm, số đường bên (đối với các chủng Steinernema) và đặc điểm sinh học của chủng tuyến trùng như đối tượng có thể phòng trừ, độc lực (LC50) đối với côn trùng sâu hại.
Tiến hành phun rải tuyến trùng: Trước khi phun rải tuyến trùng tại mỗi điểm thu 1 mẫu đất để kiểm tra tuyến trùng EPN và tuyến trùng khác trước khi phun rải. Mỗi chủng EPN gồm 1,5 triệu IJs được đựng trong 1 hộp nhựa kín dung tích 250 mL để vận chuyển đến nơi cần phun rải. Đánh dấu ô thí nghiệm bằng một bảng gỗ ghi tên (bằng sơn) chủng cắm xuống đất cạnh ô thí nghiệm.
Kiểm tra định kỳ sự hiện diện của tuyến trùng EPN tại các lô bảo tồn: Kiểm tra trước sau phun rải: Trước khi phun rải đã tiến hành thu mẫu đất (500mL) tại 12 lô thiết kế. Định kỳ 2 tháng kiểm tra 1 lần (thu mẫu đất bẫy tuyến trùng theo phương pháp côn trùng bẫy (baiting trap) với ấu trùng BSL (Galleria melonnella) và gạn lọc để quan sát trực tiếp.
Hiệu quả của mô hình bảo tồn
Bảo tồn ex-situ cho phép độc lực của các chủng tuyến trùng được duy trì ổn định trong điều kiện tự nhiên. Bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN cũng chính là giải pháp bảo tồn sự đa dạng của sinh vật có ích, nguồn thiên địch của sâu hại trong nông và lâm nghiệp.
Mô hình bảo tồn tuyến trùng EPN có thể áp dụng trong phòng trừ sâu hại trong điều kiện trang trại trồng một vài loai rau, cây ăn quả - được gọi là mô hình phòng trừ bảo tồn. Mô hình này có nhiều ưu thế như: i) không cần dùng thuốc hóa học độc hại cho người, môi trường và sản phẩm; ii) Do tuyến trùng EPN có khả năng tái sinh (sinh sản trong xác chết côn trùng vật chủ của chúng) nên chỉ cần phun rải một lần cho cả một chu kỳ sản xuất; iii) Rất hiệu quả đối với các loại sâu hại trú ẩn trong đất hoặc có pha phát triển trong đất; iv) Chi phí có thể cạnh tranh với thuốc hóa học đối với nhiều đối tượng sâu hại mẫn cảm với tuyến trùng EPN.
Mô hình chuyển giao: i) Cung cấp chế phẩm sinh học tuyến trùng thích hợp với đối tượng sâu hại để phun rải; ii) Cung cấp vật liệu tuyến trùng phù hợp và Quy trình công nghệ (in vivo hoặc in vitro) để sản xuất sinh khối tại trang trại để tự phun rải.
Với tính mới, sáng tạo và giá trị ứng dụng cao “Quy trình bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN” đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp văn bằng độc quyền sáng chế số 26872, công bố ngày 25/12/2020.
Hy vọng sáng chế Bảo tồn ex-situ tuyến trùng EPN, sẽ được các công ty sản xuất thuốc sinh học quan tâm, chuyển giao công nghệ để thương mại hóa rộng rãi.
Phạm Quang Dương
Trưởng phòng Thông tin Sở hữu công nghiệp, Trung tâm Thông tin – Tư liệu
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
---------------------------
Nguồn tin:
1.http://www.vast.ac.vn/cac-de-tai-nghien-cuu-khoa-hoc-va-phat-trien-congnghe?start=180?option=com_detai&view=detai&id=1363.
2.http://www.ipvietnam.gov.vn/web/guest/bang-oc-quyen-sang-che/giai-phap-huu-ich-uoc-cap-hang-thang//asset_publisher/dpbmUWqCBsSG/content/danh-sach-bang-oc-quyen-sang-che-cong-bo-thang-12-2020-2-2
3.Phỏng vấn trực tiếp GS Nguyễn Ngọc Châu