Sâu bướm nhiễm baculovirus thường bò lên ngọn cây hoặc chỗ cao nhất của cây rồi chết ở đó, hiện tượng người Đức từ cuối thế kỷ 19 gọi là Wipfelkrankheit, "bệnh ngọn cây". Từ trên cao, xác sâu vỡ ra, giải phóng vô số hạt virus rơi xuống lá bên dưới, nơi những con sâu khác đang ăn. Năm 2011, nhóm của Kelli Hoover (Đại học bang Pennsylvania) công bố trên tạp chí Science rằng chỉ một gen của virus, gen egt, là cần thiết để gây ra hành vi leo cao này ở sâu bướm Lymantria dispar.
Đây là một trong những ví dụ hiếm hoi mà các nhà khoa học tìm được hẳn một gen cụ thể của ký sinh chịu trách nhiệm điều khiển hành vi vật chủ.
Baculovirus là gì
Baculovirus là một họ virus chỉ nhiễm động vật chân khớp, chủ yếu là ấu trùng của bướm và bướm đêm (sâu bướm), cùng một số loài ong cắn lá và muỗi. Tên gọi lấy từ chữ Latin baculum, nghĩa là "cây gậy", vì hạt virus có hình que.
Điểm đặc biệt của nhiều baculovirus là chúng tự bọc mình trong những khối tinh thể protein gọi là thể vùi (occlusion body). Lớp vỏ protein này giúp virus sống sót ngoài môi trường, trên lá cây, trong đất, nhiều tháng hay nhiều năm, chờ một con sâu khác ăn phải.
Nhóm hay được nghiên cứu nhất là virus đa diện nhân (nucleopolyhedrovirus, viết tắt NPV), đặt theo hình đa diện của thể vùi khi soi kính hiển vi.
Vòng đời: từ chiếc lá đến ngọn cây
- Ăn phải virus: sâu ăn lá dính thể vùi chứa virus.
- Giải phóng trong ruột: môi trường kiềm trong ruột sâu làm tan lớp vỏ protein, virus đi vào tế bào ruột rồi lan khắp cơ thể.
- Nhân lên: trong vài ngày, virus nhân lên trong hầu hết các mô.
- Thay đổi hành vi: sâu bệnh trở nên hiếu động, bỏ chỗ ẩn nấp ban ngày và bò lên cao.
- Chết ở trên cao: sâu chết bám ở đầu cành, ngọn cây, cơ thể mềm nhũn, rồi vỡ ra.
- Mưa virus: hàng triệu thể vùi rơi theo mưa, gió xuống những chiếc lá bên dưới, sẵn sàng cho vòng đời mới.
Bước vỡ ra được hỗ trợ bởi các enzyme mà virus mang gen mã hoá, giúp phân huỷ lớp vỏ cứng của sâu. Toàn bộ chiến lược được thiết kế để từ một con sâu, virus phủ được càng nhiều lá càng tốt.
"Bệnh ngọn cây": mô tả từ thế kỷ 19
Người làm rừng ở Đức cuối thế kỷ 19 đã nhận ra những đợt sâu bướm đêm hại rừng thông bị dịch bệnh, và xác sâu chết treo lủng lẳng trên ngọn cây. Họ gọi đó là Wipfelkrankheit (bệnh ngọn cây). Lúc ấy chưa ai biết virus là gì; khái niệm virus chỉ hình thành rõ vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20.
Suốt gần một thế kỷ sau, hiện tượng này được ghi chép nhiều nhưng cơ chế vẫn là câu đố. Nhiều người cho rằng đó chỉ là phản ứng chung của con vật ốm. Câu trả lời chính xác hơn đến từ di truyền học virus.
Gen egt và thí nghiệm năm 2011
Nhóm của Hoover làm việc với virus đa diện nhân của sâu bướm Lymantria dispar, loài sâu hại rừng quan trọng ở Bắc Mỹ và châu Âu (tiếng Anh từng gọi là gypsy moth, nay đổi thành spongy moth). Họ tập trung vào gen egt, mã hoá một enzyme làm bất hoạt hormone lột xác (ecdysteroid) của sâu.
Thí nghiệm có ý tưởng đơn giản:
- Nhóm sâu thứ nhất nhiễm virus bình thường: phần lớn leo lên cao rồi chết ở đó.
- Nhóm sâu thứ hai nhiễm virus đã bị xoá gen egt: chúng vẫn bị bệnh, vẫn chết, nhưng chết ở chỗ thấp, không leo lên cao.
- Nhóm thứ ba nhiễm virus đã được trả lại gen egt: hành vi leo cao xuất hiện trở lại.
Kết luận: gen egt là cần thiết cho hành vi leo ngọn cây ở hệ sâu – virus này. Bài báo có tiêu đề đại ý "một gen cho kiểu hình mở rộng", dùng khái niệm của nhà sinh học Richard Dawkins: gen của một sinh vật biểu hiện ra bằng hành vi của sinh vật khác.
Cách gen này hoạt động có lẽ liên quan tới việc ngăn sâu lột xác. Bình thường, trước khi lột xác, sâu ngừng ăn, nằm im ở chỗ an toàn. Khi hormone lột xác bị vô hiệu, sâu tiếp tục hoạt động, tiếp tục ăn và di chuyển, có lợi cho virus nhân lên và phát tán. Tuy vậy, cơ chế đầy đủ vẫn còn được nghiên cứu.
Không phải chỉ có một gen
Các nghiên cứu sau đó trên những cặp sâu – virus khác cho thấy bức tranh phức tạp hơn: ở một số loài, gen egt ảnh hưởng tới thời điểm hay độ cao leo; ánh sáng cũng đóng vai trò, khi sâu bệnh có xu hướng bò về phía ánh sáng. Tức là mỗi virus có thể có "bộ công cụ" riêng, và egt là một mảnh quan trọng chứ không phải toàn bộ.
Virus điều khiển sâu và "xác sống" các loài khác
| Ký sinh | Vật chủ | Hành vi bị thay đổi | Lợi ích cho ký sinh |
|---|---|---|---|
| Baculovirus (NPV) | Sâu bướm | Leo lên cao rồi chết | Virus rơi xuống phủ lá bên dưới |
| Nấm Entomophthora muscae | Ruồi | Leo lên cao, giương cánh, chết lúc chiều tối | Bào tử bắn đi xa |
| Ong Ampulex compressa | Gián | Mất động lực tự di chuyển | Dắt vào hang nuôi ấu trùng |
Điều thú vị là baculovirus và nấm Entomophthora thuộc hai giới sinh vật hoàn toàn khác nhau nhưng cùng "phát minh" ra chiến lược đưa vật chủ lên cao. Trong sinh học, đó gọi là tiến hoá hội tụ: những giải pháp giống nhau xuất hiện độc lập vì cùng giải một bài toán.
Từ "virus xác sống" đến công cụ có ích cho con người
Baculovirus không chỉ là chuyện lạ. Chúng có hai ứng dụng quan trọng:
- Thuốc trừ sâu sinh học: vì chỉ nhiễm những loài sâu nhất định, baculovirus được dùng để kiểm soát sâu hại mà không ảnh hưởng tới người, chim, cá, côn trùng có ích. Ví dụ, Sở Lâm nghiệp Hoa Kỳ phát triển chế phẩm từ virus đa diện nhân của Lymantria dispar để bảo vệ rừng. Nhiều nước, gồm cả các nước châu Á, dùng chế phẩm NPV cho sâu hại rau màu, bông.
- Nhà máy sản xuất protein: các nhà khoa học "mượn" baculovirus để đưa gen vào tế bào côn trùng nuôi cấy, khiến tế bào sản xuất protein mong muốn với số lượng lớn. Hệ thống này được dùng trong nghiên cứu y sinh và sản xuất một số vắc xin, trong đó có một vắc xin phòng virus HPV và một vắc xin cúm tái tổ hợp.
Như vậy, cùng một nhóm virus vừa là "kẻ biến sâu thành xác sống" ngoài tự nhiên, vừa là công cụ trong phòng thí nghiệm và nhà máy vắc xin.
Góc nhìn hôm nay: quan sát và tìm hiểu thêm
Ở Việt Nam, người trồng rau, trồng bông có thể đã nghe tới chế phẩm sinh học từ virus NPV dùng diệt sâu khoang, sâu xanh. Nếu dùng, hãy làm theo hướng dẫn của cơ quan bảo vệ thực vật và nhãn sản phẩm đã được cấp phép; chế phẩm sinh học vẫn là thuốc bảo vệ thực vật, cần dùng đúng cách.
Muốn đọc thêm:
- Bài của Hoover và cộng sự trên Science năm 2011, tìm theo cụm "A gene for an extended phenotype".
- Cuốn The Extended Phenotype (1982) của Richard Dawkins cho khái niệm gen điều khiển hành vi sinh vật khác.
- Các tài liệu khuyến nông về thuốc trừ sâu sinh học gốc virus của cơ quan bảo vệ thực vật.
Câu hỏi thường gặp
Baculovirus là gì?
Baculovirus là họ virus hình que chỉ nhiễm động vật chân khớp, chủ yếu là sâu bướm. Nhiều loài được bọc trong khối tinh thể protein giúp chúng sống sót lâu ngoài môi trường, chờ sâu khác ăn phải.
Vì sao sâu nhiễm virus lại leo lên ngọn cây?
Virus thay đổi hành vi để sâu bò lên cao rồi chết ở đó; xác sâu vỡ ra, virus rơi xuống phủ lá bên dưới, lây cho nhiều sâu khác. Nghiên cứu năm 2011 trên Science cho thấy gen egt của virus là cần thiết cho hành vi này ở sâu Lymantria dispar.
Bệnh ngọn cây (Wipfelkrankheit) là gì?
Đó là tên người làm rừng Đức đặt cuối thế kỷ 19 cho hiện tượng sâu bướm bị dịch bệnh chết treo trên ngọn cây. Về sau người ta biết nguyên nhân là baculovirus.
Baculovirus có nguy hiểm cho người không?
Không. Baculovirus chỉ nhiễm động vật chân khớp, không nhân lên trong tế bào người hay động vật có xương sống. Vì vậy chúng được dùng làm thuốc trừ sâu sinh học và công cụ sản xuất protein, vắc xin.
Gen egt làm gì?
Gen egt của virus mã hoá enzyme làm bất hoạt hormone lột xác của sâu. Sâu không lột xác được nên tiếp tục ăn, di chuyển, và trong hệ sâu Lymantria dispar, gen này cần thiết cho hành vi leo lên cao trước khi chết.
