Chi nấm gây bệnh Pyricularia

Trong lịch sử phát triển của nền nông nghiệp thế giới, hiếm có tác nhân gây bệnh nào để lại những hậu quả nặng nề và dai dẳng như bệnh đạo ôn. Được gây ra bởi vi nấm Pyricularia oryzae (trước đây được biết đến rộng rãi với tên giai đoạn hữu tính là Magnaporthe oryzae), bệnh đạo ôn không chỉ là mối đe dọa sinh học đơn thuần mà còn là một thách thức đối với an ninh lương thực toàn cầu.

Lịch sử danh pháp và phân loại

Trong hơn một thế kỷ, cộng đồng khoa học đã phải đối mặt với sự nhầm lẫn đáng kể trong việc gọi tên nấm đạo ôn. Nấm được Cavara mô tả lần đầu tiên vào năm 1892 tại Ý với tên gọi Pyricularia oryzae dựa trên các mẫu bệnh phẩm thu thập từ lúa. Tuy nhiên, do luật danh pháp thực vật trước đây cho phép sử dụng các tên riêng biệt cho giai đoạn sinh sản vô tính (anamorph) và giai đoạn sinh sản hữu tính (teleomorph), hai cái tên Pyricularia oryzae (vô tính) và Magnaporthe oryzae (hữu tính - được mô tả bởi B.C. Couch vào năm 2002) đã cùng tồn tại song song.

Một sự nhầm lẫn lịch sử nghiêm trọng khác là việc đồng nhất nấm đạo ôn lúa với loài Magnaporthe grisea (anamorph: Pyricularia grisea). Trước năm 2002, hầu hết các tài liệu, bao gồm cả một số ấn bản cũ của Agrios, thường gộp chung nấm gây bệnh trên lúa và nấm gây bệnh trên các loài cỏ khác vào loài M. grisea. Tuy nhiên, các nghiên cứu sinh học phân tử hiện đại đã chứng minh rằng M. grisea là một loài riêng biệt về mặt di truyền, chủ yếu gây bệnh trên cỏ chỉ (Digitaria spp.) và không có khả năng lai chéo (interbreed) với nấm gây bệnh trên lúa.

Hiện nay, tuân theo Điều 59 của Quy tắc Quốc tế về Danh pháp Tảo, Nấm và Thực vật (ICN) về việc áp dụng "Một nấm, một tên", cộng đồng nấm học quốc tế đã thống nhất ưu tiên sử dụng tên Pyricularia oryzae cho tất cả các tài liệu khoa học và báo cáo bệnh học, thay thế cho Magnaporthe oryzae (mặc dù tên này vẫn được công nhận là đồng danh). Sự thay đổi này nhằm đảm bảo tính nhất quán và tôn trọng nguyên tắc ưu tiên của cái tên được mô tả sớm hơn (năm 1892 so với năm 2002).

Dựa trên hệ thống phân loại cập nhật nhất từ NCBI Taxonomy và MycoBank, vị trí của Pyricularia oryzae được xác định như sau: Giới Fungi - Ngành Ascomycota - Lớp Sordariomycetes - Bộ Magnaporthales - Họ Pyriculariaceae.

Mặc dù hình thái của các chủng Pyricularia trên các ký chủ khác nhau rất giống nhau, nhưng phân tích di truyền quần thể cho thấy P. oryzae thực chất là một phức hợp loài bao gồm các dòng (lineages) hoặc pathotypes chuyên biệt theo ký chủ.

Hình thái học và đặc điểm nuôi cấy

Trên môi trường nhân tạo phổ biến như Potato Dextrose Agar (PDA) hoặc Bột yến mạch (Oatmeal Agar - OMA), khuẩn lạc của Pyricularia oryzae thể hiện sự đa dạng tùy thuộc vào chủng nòi và điều kiện ánh sáng. Khuẩn lạc thường có màu trắng xám, xám tro hoặc nâu nhạt. Khi già, khuẩn lạc có thể chuyển sang màu xám sẫm hoặc đen xám do sự hình thành hắc tố (melanin) trong sợi nấm. Hệ sợi nấm (mycelium) dạng bông (cottony) hoặc mượt như nhung (velvety), đôi khi mọc sát mặt thạch. Mép khuẩn lạc thường đều hoặc gợn sóng nhẹ. Nấm phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 25-28°C. Ánh sáng tán xạ hoặc chu kỳ sáng/tối xen kẽ kích thích sự hình thành bào tử mạnh mẽ hơn so với bóng tối hoàn toàn.

Sợi nấm có vách ngăn (septate), phân nhánh, đường kính nhỏ, đa nhân, và có màu trong suốt (hyaline) đến nâu nhạt (olivaceous). Cành bào tử phân sinh (conidiophores) mọc ra từ sợi nấm ngoại sinh, đứng riêng lẻ hoặc thành chùm (fascicles) từ 2-5 cành thoát ra qua khí khổng hoặc trực tiếp qua biểu bì. Chiều dài dao động lớn, từ 60 µm đến 250 µm, đường kính 3-6 µm, có vách ngăn ngang. Gốc cành thường sẫm màu (nâu nhạt), nhạt dần về phía đỉnh. Đỉnh cành bào tử có cấu trúc gấp khúc (geniculate) đặc trưng hay còn gọi là dạng hợp trục (sympodial). Sau khi một bào tử được hình thành ở đỉnh, trục cành tiếp tục phát triển sang một bên và hình thành bào tử tiếp theo, để lại các vết sẹo (denticles) tại nơi đính bào tử. Đây là đặc điểm phân loại quan trọng giúp phân biệt chi Pyricularia với các chi nấm khác.

Bào tử phân sinh (conidia) là đơn vị lây nhiễm chính và có hình thái rất điển hình được mô tả trong Agrios (2005) và các tài liệu tham khảo. Hình quả lê (pyriform) hoặc hình nậm rượu ngược (obclavate), thon nhỏ về phía đỉnh và tròn ở phần đáy. Bào tử điển hình có 2 vách ngăn ngang, chia bào tử thành 3 tế bào. Tế bào gốc (basal cell) phình to nhất, tế bào giữa (median cell) và tế bào đỉnh (apical cell) nhỏ dần. Theo các phép đo chuẩn, bào tử Pyricularia oryzae có kích thước khoảng 17-23 µm chiều dài và 7-9 µm chiều rộng. Mấu lồi (hilum) tại đáy của tế bào gốc rõ rệt, đây là điểm đính vào cành bào tử.

Đĩa áp (appressorium) là cấu trúc xâm nhiễm đặc biệt và là vũ khí lợi hại nhất của Pyricularia oryzae. Khi bào tử nảy mầm trên bề mặt lá lúa, đầu ống mầm phình to tạo thành cấu trúc hình vòm (dome-shaped) gọi là đĩa áp. Vách tế bào đĩa áp nhanh chóng được melanin hóa (tích tụ sắc tố đen). Lớp melanin này đóng vai trò như một màng bán thấm chọn lọc: cho phép nước đi vào nhưng ngăn cản các chất hòa tan (solutes) thoát ra ngoài. Bên trong đĩa áp, nấm tích tụ nồng độ Glycerol rất cao (lên đến 3M), tạo ra áp suất thẩm thấu (turgor pressure) khổng lồ, lên tới 8.0 MPa (80 bars). Áp suất này được chuyển thành lực cơ học tập trung tại một điểm nhỏ gọi là vòi xâm nhiễm (penetration peg), cho phép nấm xuyên thủng lớp cutin cứng chắc của lá lúa mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào enzyme phân hủy.

Trong tự nhiên, giai đoạn hữu tính rất hiếm gặp trên đồng ruộng. Quả thể (perithecia) dạng bầu, màu đen, có cổ dài, mọc chìm hoặc nổi một phần trên mô cây hoặc môi trường. Túi (asci) hình trụ hoặc hình chùy, vách đơn (unitunicate), chứa 8 bào tử túi. Bào tử túi (ascospores) hình thoi (fusiform), hơi cong, có 3 vách ngăn (4 tế bào), không màu.

Đặc điểm sinh học và cơ chế xâm nhiễm

Pyricularia oryzae là một nấm bán ký sinh điển hình, với chu trình xâm nhiễm chia làm hai giai đoạn rõ rệt:

• Giai đoạn ký sinh (biotrophic phase): Trong 3-4 ngày đầu sau khi xâm nhập, nấm phát triển sợi nấm xâm nhiễm (invasive hyphae) bên trong tế bào lúa sống. Lúc này, nấm lấy dinh dưỡng từ tế bào chất của cây mà không giết chết tế bào. Nấm hình thành cấu trúc đặc biệt gọi là Phức hợp Giao diện Sinh học (Biotrophic Interfacial Complex - BIC) để tiết các protein hiệu ứng (effectors) nhằm ức chế hệ thống miễn dịch của cây. Sợi nấm di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác qua cầu sinh chất (plasmodesmata).
• Giai đoạn hoại sinh (necrotrophic phase): Khi khuẩn lạc nấm đã phát triển đủ lớn, nấm chuyển sang giai đoạn hoại sinh, tiết ra các enzyme và độc tố (như pyricularin, α-picolinic acid) giết chết tế bào mô chủ nhanh chóng. Giai đoạn này tương ứng với sự xuất hiện của các vết bệnh hoại tử điển hình trên lá và sự sản sinh bào tử ồ ạt.

Quá trình xâm nhiễm diễn ra qua các bước được điều hòa chặt chẽ bởi di truyền và môi trường:

• Bám dính: Bào tử tiếp xúc với bề mặt lá kỵ nước (hydrophobic) và bám chặt nhờ chất nhầy (mucilage) ở đỉnh bào tử (spore tip mucilage).
• Nảy mầm: Trong điều kiện có màng nước tự do, bào tử nảy mầm trong vòng 2-4 giờ.
• Hình thành đĩa áp: Tín hiệu bề mặt cứng và kỵ nước kích hoạt quá trình hình thành đĩa áp. Quá trình này đi kèm với sự tự thực (autophagy) của bào tử gốc: nhân và tế bào chất của bào tử di chuyển vào đĩa áp, sau đó bào tử xẹp xuống và chết. Điều này đảm bảo toàn bộ năng lượng được dồn cho cú "đục thủng" lớp cutin.
• Xuyên thủng: Vòi xâm nhiễm chọc thủng lớp cutin và vách tế bào biểu bì nhờ áp suất turgor và sự hỗ trợ của vòng septin (septin ring) và khung xương tế bào F-actin tại đáy đĩa áp.

Sau khi chui vào bên trong tế bào biểu bì, sợi nấm phình to ra và phân nhánh. Chúng thiết lập một cấu trúc gọi là sợi nấm xâm nhiễm (invasive hyphae). Nấm sẽ hút dinh dưỡng từ tế bào sống, sau đó lây lan sang các tế bào lân cận thông qua các cầu sinh chất (plasmodesmata) - những kênh nối giữa các tế bào thực vật.

Các tế bào lúa bị cướp dinh dưỡng sẽ chết dần, tạo thành các vết bệnh điển hình trên mặt lá. Từ các vết thương này, nấm đâm vòi nấm (conidiophores) ra ngoài không khí, sinh ra hàng ngàn bào tử mới để bắt đầu một chu kỳ lây nhiễm tiếp theo.

Triệu chứng

Triệu chứng bệnh đạo ôn rất đa dạng, xuất hiện trên hầu hết các bộ phận trên mặt đất của cây lúa. Tên gọi của bệnh thường gắn liền với bộ phận bị hại.

Đạo ôn lá (leaf blast) là triệu chứng phổ biến nhất ở giai đoạn lúa đẻ nhánh (vegetative stage). Vết bệnh xuất hiện là những chấm nhỏ màu trắng hoặc xám xanh, kích thước bằng đầu kim. Các chấm này phát triển thành vết bệnh hình thoi hoặc hình mắt én (spindle-shaped) đặc trưng. Trung tâm màu xám tro hoặc trắng (vùng mô chết và nơi sản sinh bào tử). Viền màu nâu đậm hoặc nâu đỏ bao quanh trung tâm. Quầng thường có quầng vàng (yellow halo) bao quanh viền nâu. Trên giống nhiễm, các vết bệnh liên kết với nhau (coalesce), làm lá bị khô cháy hoàn toàn, dẫn đến hiện tượng cháy lá hay nông dân gọi là lúa sụp mặt (lụi tàn hàng loạt). Trên giống kháng, vết bệnh chỉ là những chấm nâu nhỏ (brown specks) do phản ứng siêu nhạy (hypersensitive response - HR) khu trú nấm lại, không tạo hình mắt én điển hình.

Đạo ôn cổ lá (collar rot) tấn công vào phần cổ lá (nơi tiếp giáp giữa phiến lá và bẹ lá). Vết hoại tử màu nâu bao quanh cổ lá làm tắc nghẽn mạch dẫn. Hậu quả là toàn bộ phiến lá phía trên bị khô và gãy gục xuống.

Đạo ôn đốt thân (node blast) tấn công vào các đốt thân, thường là các đốt phía dưới gần gốc hoặc đốt thân mang bông. Đốt thân chuyển màu nâu đen, teo tóp và khô lại. Thân cây trở nên giòn và dễ gãy tại đốt bị bệnh. Nếu xảy ra ở giai đoạn trổ, dinh dưỡng không lên được bông khiến hạt bị lép hoặc bông bạc.

Đạo ôn cổ bông (neck blast) là dạng triệu chứng nguy hiểm nhất, gây thiệt hại năng suất trực tiếp và nghiêm trọng nhất. Nấm tấn công vào đoạn thân ngay dưới bông lúa (cổ bông). Vết bệnh ban đầu nhỏ màu xám xanh, sau chuyển sang màu nâu đen bao quanh cổ bông. Mô bệnh bị teo tóp, hoại tử. Nếu nhiễm sớm (khi lúa vừa trổ) thì dinh dưỡng bị cắt đứt hoàn toàn, toàn bộ bông lúa bị trắng (bông bạc), hạt lép 100%, bông đứng thẳng (do không có trọng lượng hạt). Nếu nhiễm muộn (khi hạt đã vào chắc) thì cổ bông yếu làm bông bị gãy gục (gãy cổ bông), hạt lửng, chất lượng gạo kém, dễ gãy nát khi xay xát.

Đạo ôn hạt (grain blast) là các đốm màu nâu hoặc xám đen trên vỏ trấu. Nấm cũng có thể xâm nhập vào cuống hạt (pedicel) gây rụng hạt. Hạt giống bị nhiễm bệnh là nguồn lây lan quan trọng sang vụ sau và các vùng địa lý mới.

Sinh thái học

Sự phát sinh và phát triển của bệnh đạo ôn chịu sự chi phối chặt chẽ của các yếu tố môi trường, đặc biệt là vi khí hậu ruộng lúa.

Khoảng nhiệt độ tối ưu cho nấm phát triển, nảy mầm và xâm nhiễm là 25-28°C. Nhiệt độ thấp (dưới 20°C) hoặc quá cao (trên 32°C) làm chậm sự phát triển của bệnh. Ở vùng nhiệt đới như Việt Nam rất thuận lợi cho bệnh phát triển.

Bào tử nấm cần màng nước tự do trên bề mặt lá để nảy mầm. Thời gian lá ướt tối thiểu cần thiết là 4-6 giờ để nảy mầm, nhưng để hoàn tất quá trình xâm nhập (hình thành đĩa áp và xuyên thủng), nấm cần bề mặt lá ướt liên tục từ 7-14 giờ. Do đó, sương mù dày đặc, mưa phùn, hoặc sương đêm kéo dài là điều kiện lý tưởng để bệnh bùng phát.

Nấm thường sản sinh bào tử mạnh nhất vào ban đêm khi ẩm độ không khí bão hòa (>90%). Bào tử chín muồi thường được phóng thích vào sáng sớm (1-6 giờ sáng) nhờ gió hoặc sự rung động của giọt mưa/sương. Gió đóng vai trò then chốt trong việc phát tán bào tử đi xa (aerobiology), có thể lan truyền bệnh giữa các cánh đồng cách nhau hàng km.

Cây lúa bón thừa đạm sẽ phát triển thân lá sum suê (tạo vi khí hậu ẩm ướt), vách tế bào mỏng, hàm lượng silic tích lũy trong biểu bì thấp, và hàm lượng các axit amin tự do trong dịch tế bào cao. Tất cả các yếu tố này làm cho cây trở nên "ngon miệng" và dễ xâm nhập hơn đối với nấm đạo ôn.

Dịch tễ học

Bệnh đạo ôn là bệnh đa chu kỳ (polycyclic disease).

• Chu kỳ sơ cấp: Bào tử từ nguồn bệnh lưu tồn (rơm rạ, hạt giống, cỏ dại) lây nhiễm vào cây mạ hoặc lúa non đầu vụ.
• Chu kỳ thứ cấp: Vết bệnh trên lá lúa non sản sinh hàng nghìn bào tử mới chỉ sau 5-7 ngày (trong điều kiện thuận lợi). Các bào tử này lại tái lây nhiễm sang các lá khác hoặc cây khác, tạo ra cấp số nhân về lượng bệnh. Một vết bệnh điển hình có thể phóng thích 2.000-6.000 bào tử mỗi ngày và kéo dài trong khoảng 14 ngày. Tốc độ tái lây nhiễm nhanh chóng này giải thích tại sao bệnh có thể bùng phát thành dịch (epidemic) chỉ trong thời gian ngắn.

Nguồn bệnh chủ yếu từ sợi nấm và bào tử sống sót trong rơm rạ và gốc rạ sau thu hoạch; trong vỏ trấu và phôi hạt, truyền bệnh cho cây con ngay khi nảy mầm; các loài cỏ dại mọc quanh ruộng như cỏ lồng vực, cỏ đuôi phụng...

Các hoạt chất quản lý Pyricularia gồm: Tricyclazole, Fenoxanil, Propiconazole, Difenoconazole, Tebuconazole, Azoxystrobin, Kasugamycin, Ningnanmycin...