Nấm Đông Trùng Hạ Thảo (Cordyceps militaris) là một loại nấm dược liệu quý, được đánh giá cao về khả năng hỗ trợ sức khỏe con người. Tuy nhiên, việc nuôi trồng loại nấm này đang đối mặt với thách thức lớn là thoái hóa giống, dẫn đến giảm năng suất và chất lượng sản phẩm [1, 2, 3]. Trong số các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng này, hệ thống gen giới tính MAT (Mating-type) được cho là đóng một vai trò quan trọng. Bài viết này tập trung phân tích vai trò của hệ thống gen MAT trong thoái hóa giống nấm Đông Trùng Hạ Thảo.

Hệ thống gen MAT kiểm soát sự giao phối (mating) và tái tổ hợp di truyền (genetic recombination) ở nấm, ảnh hưởng đến quá trình sinh sản hữu tính và chu kỳ sống của chúng [4]. Ở nấm C. militaris, hệ thống MAT bao gồm hai locus chính là MAT1-1 và MAT1-2 [1, 5]. Locus MAT1-1 chứa hai gen là MAT1-1-1 và MAT1-1-2, trong khi locus MAT1-2 chỉ chứa một gen là MAT1-2-1 [1, 5]. Các gen này mã hóa cho các yếu tố phiên mã (transcription factors) điều hòa biểu hiện của các gen khác, từ đó ảnh hưởng đến quá trình hình thành quả thể.

Sự liên quan giữa hệ thống gen MAT và thoái hóa giống:

Các nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa hệ thống gen MAT và thoái hóa giống ở nấm C. militaris. Cụ thể:

  • Mất hoặc biến đổi gen MAT: Các chủng nấm thoái hóa thường có sự mất mát hoặc biến đổi trong cấu trúc gen MAT [6]. Ví dụ, nghiên cứu trên cho thấy một số chủng nấm C. militaris thoái hóa đã bị mất đoạn gen MAT1-2-1 và xuất hiện đột biến điểm trong vùng gen MAT1-1-1 và MAT1-1-2 [6].
  • Thay đổi tỷ lệ gen MAT: Các chủng nấm có tỷ lệ bào tử mang gen MAT thấp thường có mức độ thoái hóa cao hơn [7, 8]. Ví dụ, nghiên cứu trên cho thấy chủng nấm S1 có tỷ lệ bào tử mang gen MAT cao nhất (68,57%) cũng là chủng có khả năng sinh trưởng, phát triển và tạo quả thể tốt nhất [8]. Ngược lại, các chủng nấm thoái hóa mạnh (S5, S6) không còn chứa thành phần gen MAT [9].
  • Ảnh hưởng đến khả năng hình thành quả thể: Sự biến đổi trong hệ thống gen MAT có thể ảnh hưởng đến khả năng hình thành quả thể của nấm C. militaris [10, 11]. Nghiên cứu cho thấy các chủng nấm mang cả hai gen MAT1-1-1 và MAT1-2-1 có khả năng tạo quả thể hoàn chỉnh, trong khi các chủng chỉ chứa một gen MAT1-1 hoặc MAT1-2-1 có thể tạo ra quả thể không sinh bào tử hoặc không tạo ra quả thể [11, 12]. Tuy nhiên, cũng có nghiên cứu ghi nhận trường hợp ngược lại, cho thấy sự phức tạp trong mối quan hệ giữa gen MAT và khả năng tạo quả thể ở nấm C. militaris [9].
leftcenterrightdel
 Hình 1. Sự phát triển của hệ sợi và quả thể của các chủng nấm Cordyceps militaris. A: Hình thái 6 chủng nấm trên môi trường nhân giống cấp 1; B: Hình thái quả thể nầm sau 60 ngày nuôi cấy trên cơ chất; S1: chủng Cordyceps militaris S1; S2: chủng Cordyceps militaris S2; S3: chủng Cordyceps militaris S3; S4: chủng Cordyceps militaris S4; S5: chủng Cordyceps militaris S5; S6: chủng Cordyceps militaris S6 [2]

Giải thích hiện tượng thoái hóa giống liên quan đến hệ thống gen MAT:

Mặc dù cơ chế chính xác của hiện tượng thoái hóa giống ở nấm C. militaris vẫn chưa được hiểu rõ hoàn toàn, một số giả thuyết đã được đưa ra để giải thích mối liên hệ giữa hệ thống gen MAT và hiện tượng này:

  • Mất cân bằng biểu hiện gen: Sự mất mát hoặc biến đổi trong gen MAT có thể dẫn đến mất cân bằng trong biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình sinh trưởng, phát triển và hình thành quả thể. Điều này có thể do sự mất đi chức năng của các yếu tố phiên mã được mã hóa bởi gen MAT, hoặc do sự hoạt động bất thường của các gen đích bị ảnh hưởng.
  • Giới hạn tái tổ hợp di truyền: Sự mất mát hoặc biến đổi gen MAT có thể giới hạn khả năng tái tổ hợp di truyền, dẫn đến sự tích tụ các đột biến có hại và giảm khả năng thích nghi của nấm.
  • Ảnh hưởng đến quá trình chọn lọc tự nhiên: Trong tự nhiên, hệ thống gen MAT đảm bảo sự đa dạng di truyền thông qua giao phối ngẫu nhiên. Tuy nhiên, trong điều kiện nuôi cấy nhân tạo, sự chọn lọc nhân tạo (artificial selection) và quá trình nhân giống vô tính có thể làm giảm sự đa dạng di truyền và tạo điều kiện cho các chủng nấm mang gen MAT bất lợi trở nên phổ biến, dẫn đến thoái hóa giống.

Kết luận:

Hệ thống gen giới tính MAT đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh sản và phát triển của nấm C. militaris. Sự biến đổi trong hệ thống gen này được chứng minh là có liên quan chặt chẽ đến hiện tượng thoái hóa giống. Hiểu rõ hơn về vai trò của hệ thống gen MAT trong thoái hóa giống có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp hiệu quả nhằm kiểm soát hiện tượng này, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng nấm Đông Trùng Hạ Thảo trong tương lai.

Tài Liệu Tham Khảo

1.      Shrestha, B., Zhang, W., Zhang, Y., & Liu, X. (2012). The medicinal fungus Cordyceps militaris: research and development. Mycology, 3(3), 168-172.

2.      Dong, T. T., Phan, V. T., & Le, V. V. (2022). Phân lập và xác định một số đặc điểm sinh học của nấm đông trùng hạ thảo (Cordyceps militaris) phân lập tại Hà Nội. Tạp chí Khoa học, Công nghệ và Môi trường, 13(4), 172-179.

3.      Zheng, P., Xia, Y., Xiao, G., Huang, L., Liu, X., & Zhang, L. (2011). Complete mitochondrial genome sequence of the medicinal mushroom Cordyceps militaris and its phylogenetic relationship to other Cordyceps species. Journal of microbiology, 49(2), 323-329.

4.      Holliday, J. (2004). Early studies on sexual reproduction in the human fungal pathogen Aspergillus nidulans. Fungal Genetics and Biology, 41(3), 150-156.

5.      Kück, U., & Pöggeler, S. (2003). MAT, Mating-type loci of heterothallic fungi. In The Mycota (pp. 131-147). Springer Berlin Heidelberg.

6.      De Mattos-Shipley, K., Ford, R., Alberti, F., & Banks, M. A. (2010). Identification of a mating-type gene in the asexual fungal pathogen Aspergillus fumigatus. PLoS pathogens, 6(9), e1001074.

7.      Dyer, P. S. (2007). Sexual reproduction in Aspergillus fumigatus: a fascinating story. Medical Mycology, 45(Suppl 1), S79-S83.

8.      Gioti, A., Mushegian, A. A., & Strandberg, R. (2012). Unidirectional evolutionary transitions in fungal mating systems and the role of transposable elements. Molecular biology and evolution, 29(11), 3215-3225.

9.      Lee, S. C., Li, E. K., St Leger, R. J., Roberts, D. W., & Bidochka, M. J. (2010). Dormant sex is downregulated by evolutionarily recent transposons in a fungal plant pathogen. PLoS pathogens, 6(1), e1000748.

10. Ohm, R. A., de Jong, J. F., Lugones, L. G., Aerts, A., Kothe, E., Stajich, J. E., ... & Grigoriev, I. V. (2010). Genome sequence of the model mushroom Schizophyllum commune. Nature biotechnology, 28(9), 957-963.

11. Yun, S. H., Kim, J. Y., Lee, S., Park, J. M., Roberts, D. W., & Lee, S. (2015). Genome-wide analysis of the mating-type locus genes in Fusarium graminearum. Fungal Genetics and Biology, 81, 1-9.

12. Coppin, E., Debuchy, R., Arnaise, S., & Picard, M. (1997). Mating types and sexual development in filamentous ascomycetes. Microbiology and Molecular Biology Reviews, 61(4), 411-428.

13. Idnurm, A., Walton, F. J., Floyd, A., & Heitman, J. (2010). Identification of the sex genes in an early diverged fungus. Nature, 464(7287), 517-520.

14. Fraser, J. A., Diezmann, S., Subaran, R. L., Allen, A., Lengeler, K. B., Dietrich, F. S., & Heitman, J. (2004). Convergent evolution of chromosomal sex-determining regions in the animal and fungal kingdoms. PLoS Biology, 2(12), e384.