Nấm giúp bọ cánh cứng tiêu hóa gỗ

Theo một nhóm các nhà côn trùng học và hóa sinh học, một loại nấm nhỏ ít được biết đến có trong ruột của bọ cánh cứng sừng dài Châu Á đã giúp chúng nhai cả được loại gỗ cứng nhất. Thêo các nhà khoa học, khám phá này có thể dẫn đến các phương pháp cải thiện việc kiểm soát côn trùng gây hại, đồng thời tìm ra các phương pháp hiệu quả hơn trong việc phân nhỏ sinh khối thực vật nhằm sản xuất nhiên liệu sinh học.

Vi sinh vật có trong ruột côn trùng từ lâu đã được biết đến với khả năng phá vỡ cấu trúc xenlulôza, nhưng người ta vẫn chưa biết nhiều về cách thức cũng như liệu các con côn trùng phân rã linhin được hay không. Đây là một loại pilyme tự nhiên giúp thực vật đứng thẳng đồng thời bảo vệ chúng tránh khỏi hầu hết các hình thức tấn công của vi sinh vật.

Ming Tien – đồng tác giả kiêm giáo sư hóa sinh học và sinh học phân tử tại bang Pennsylvania – cho biết: “Linhin là nhựa của tự nhiên, bất cứ sinh vật nào muốn lấy đường của thực vật đều phải có khả năng vượt qua rào cản bảo vệ này. Chúng tôi ngờ rằng nấm trong ruột bọ cánh cứng đã sản xuất ra enzym giúp con bọ phá vỡ cấu trúc của linhin”.

Trước khi có nghiên cứu, người ta cho rằng côn trùng không thể phá vỡ cấu trúc của linhin nên chúng ta vẫn cứ cho rằng chúng ăn gỗ đã bị phân hủy hoặc chúng sống gần loài nấm có khả năng phân hủy gỗ.

Nhưng giả thuyết nói trên không thể giải thích được khả năng côn trùng ăn gỗ và sinh trưởng trên những cái cây còn đang sống khỏe mạnh.

Tien được Kelli Hoover – đồng tác giả kiêm phó giáo sư côn trùng học tại bang Pennsylvania – và Scott Geib – tác giả chính kiêm sinh viên theo học hậu tiến sĩ ngành côn trùng học tại bang Pennsylvania – hỗ trợ để tìm ra lời giải thích. Tien nói: “Bằng cách nào mà côn trùng có thể phá vỡ bức tường bảo vệ linhin để tiếp cận đường thực vật vẫn là một điều bí ẩn”.

Loài bọ cánh cứng sừng dài Châu Á tấn công cây khỏe mạnh, chúng khoan xuyên qua lớp gỗ cứng vào tận bên trong để tiếp cận với phần chất giàu năng lượng bổ béo. Khi đó loài côn trùng gây hại có nguồn gốc từ Trung Quốc này đã tăng kích cỡ gấp 300 lần, từ kích cỡ chỉ bằng một hạt gạo cho đến khi đạt chiều dài vài inch.

Hoover cùng các cộng sự cho rằng bọ cánh cứng có lẽ đã mang cả cộng đồng vi sinh vật trong ruột giúp chúng phá vỡ cấu trúc linhin. 

Ấu trùng bọ cánh cứng sừng dài Châu Á sinh sống bên trong thân gỗ của cây rụng lá sớm. Trong ruột nó có một loại nấm biến đổi linhin khiến việc phá vỡ cấu trúc gỗ dễ dàng hơn. (Ảnh: Joshua Peter Kaffer)

Các nhà nghiên cứu đã so sánh cấu trúc hóa học của gỗ chưa bị phân hủy trước và sau khi đi qua ruột của hai loài côn trùng ăn gỗ. Để xác định mức độ biến đổi của linhin, đầu tiên họ cho loài bọ cánh cứng sừng dài Châu Á ăn gỗ sồi. Sau đó cho những con mối ăn gỗ Thái Bình Dương ăn gỗ thông, đây là một loại côn trùng chỉ ăn gỗ của cây đã chết.

Các nhà hóa học đã phân tích phân của hai loài bọ từ đó chỉ ra rằng chúng có thể biến đổi cấu trúc hóa học của linhin bằng cách thêm vào hay loại bỏ một số nhóm phân tử nhất định trong polyme.

Theo Geib, sự biến đổi trên đã giúp côn trùng tiêu hóa gỗ dễ dàng hơn.

Hoover giải thích: “Nấm trong ruột côn trùng có gen tạo ra các enzym cần thiết. Chúng tôi đã có thể tìm được đoạn thông tin trên ADN của nấm chịu trách nhiệm sản xuất enzym”. Phát hiện của nhóm được công bố ngày 18 tháng 8 trên tờ Proceedings of the National Academy of Sciences.

Trong khi các nhà nghiên cứu đã có thể nhận biết được loài nấm cư trú trong ruột của bọ cánh cứng sừng dài Châu Á, nhưng họ vẫn chưa thể tìm ra loại nấm trong ruột của mối.

Geib cho biết: “Loại biến đổi hóa học mà chúng tôi quan sát được ở bọ cánh cứng tương tự như ở loài nấm mục rữa trắng (white-rot fungus). Biến đổi mà chúng tôi quan sát được ở mối tương tự như nấm mục rữa nâu. Biến đổi hóa học đối với linhin cũng tương tự như thế”.

Tuy nhiên Geib nhấn mạnh rằng mặc dù nấm có trong ruột chắc chắn là nhân tố chủ chốt giúp tiêu hóa gỗ nhưng đây chỉ là một phần của một yếu tố lớn hơn.

“Dường như có một sự tương tác giữa enzym do nấm sản xuất, với hàng trăm loại vi khuẩn trong ruột côn trùng và cả bản thân côn trùng nữa. Chúng thành lập nên một côngxoocxiom để thực hiện công việc”.

Nếu các nhà nghiên cứu có thể tìm ra một vài loại vi sinh vật quan trọng thì có thể nhằm tới các loại vi sinh vật đó nhằm ngăn cản sự phát triển của bọ cánh cứng sừng dài Châu Á. Chúng đang gây ra mối nguy hiểm nghiêm trọng đến ngành công nghiệp gỗ và ngành công nghiệp nước ngọt lấy từ nhựa cây thích.

Cả Geib và Hoover cùng nghiên cứu bọ cánh cứng sừng dài Châu Á tin rằng họ đã tìm ra một phương thức thích nghi tiến hóa kì lạ của thế giới côn trùng.

Hoover nói: “Loài nấm trong ruột bọ cánh cứng sừng dài Châu Á gây ra các bệnh trên thực vật. Nhưng loài bọ này rất đặc biệt. Bằng cách nào đó chúng có được nấm sống trong ruột để giúp chúng tiêu hóa gỗ”. Nghiên cứu được Quỹ Alphawood và trường Khoa học nông nghiệp bang Pennsylvania tài trợ.

Bà cũng chỉ ra rằng nấm sống trong ruột bọ cánh cứng có năng suất cao hơn đồng loại sống tự do bên ngoài của chúng. Trong khi nấm sống tự do phải mất đến hàng tháng, thậm chí hàng năm để phân hủy gỗ thì nấm trong ruột bọ cánh cứng thực hiện công việc với tốc độ nhanh hơn nhiều.

Các nhà khoa học cho rằng quá trình nhanh chóng này có thể được khai thác để sản xuất nhiên liệu sinh học.

Geib nói: “Phá vỡ rào cản linhin giúp tiếp cận xenluloza dễ dàng hơn là công việc ảnh hưởng đến môi trường và tốn kém nhất để sản xuất ethanol từ sinh khối”. Ông thêm rằng, phát hiện của nhóm nghiên cứu có thể dẫn đến sự phát triển tiềm năng của các enzym tiết kiệm hơn mà lại hiệu quả hơn nhằm biến đổi gỗ thành ethanol.