Đặt vấn đề Nấm ký sinh côn trùng (Entomopathogenic fungi - EPF) hay nấm côn trùng (Insect fungi) là nhóm nấm gây bệnh cho côn trùng [96]. Đây là nhóm nấm có vai trò rất quan trọng đối với hệ sinh thái. Cho đến nay có gần 2000 loài nấm ký sinh côn trùng đƣợc ghi nhận [19, 222]. Nấm ký sinh côn trùng có khả năng sinh tổng hợp đa dạng các chất chuyển hóa thứ cấp nhƣ: Cyclic depsipeptide, peptide, dẫn xuất amino acid, polyketide, peptide hybrid, terpenoid… [48], [196].
Các chất chuyển hóa thứ cấp từ nấm ký sinh côn trùng có phổ hoạt tính mạnh đã và đang thu hút đƣợc sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Trong đó đáng chú ý là nhóm hoạt chất cyclooligomer depsipeptide. Cyclooligomer depsipeptide (COD) là một nhóm đặc biệt của nonribosomal peptid gồm 2, 3 hoặc 4 đơn phân. Trong đó mỗi đơn phân đƣợc cấu tạo bởi ít nhất một 2-hydroxycarboxylic acid và một 2-amino acid.
COD đƣợc sinh tổng hợp nhờ hệ enzyme non-ribosomal peptide synthetase (NRPSs) [53]. COD là hoạt chất tự nhiên đƣợc tìm thấy ở vi khuẩn [55], nấm [168], thực vật [207], tảo [46], hải miên [17], và một số loại sinh vật biển khác [92, 141]. Trong các nhóm COD thì COD từ nấm ký sinh côn trùng là một nhóm rất quan trọng, chiếm tỷ lệ lớn nhất [196]. Cyclooligomer depsipeptide từ nấm ký sinh côn trùng có phổ hoạt tính sinh học rộng, bao gồm khả năng gây độc ở thực vật [116], gây độc tế bào [176], kháng virus [93], diệt côn trùng [211], chống sốt rét [75], chống khối u [106], ức chế hoạt động của một số loại enzyme [128, 156] cũng nhƣ là hạn chế sự hình thành các amyloid ở bệnh Alzheimer [73].
Đặc biệt trong các nghiên cứu gần đây cho thấy COD từ nấm ký sinh côn trùng có nhiều tiềm năng trong phòng chống ung thƣ, ức chế sự sinh trƣởng của một số dòng ung thƣ khác nhau ở ngƣời [72, 107, 197]. Hiện nay, các hoạt chất COD từ nấm 2 ký sinh côn trùng đƣợc coi là nguồn nguyên liệu tự nhiên mới có tiềm năng ứng dụng trong y dƣợc. Trên thế giới việc nghiên cứu nấm ký sinh côn trùng cũng nhƣ COD từ nấm ký sinh côn trùng bắt đầu từ khá sớm. Điển hình nhƣ nghiên cứu về tách chiết enniatin A từ nấm Fusarium orthocera var.
enniatinum của Gaumann [57], nghiên cứu về sinh tổng hợp cyclodepsipeptide D- D-, L-L-, và D-L- Cyclodi- (β-seryloxy- propionyl) của Hassal và cộng sự [66] hay nghiên cứu về cấu trúc của beauvericin từ nấm của Hamill và cộng sự [64],. Trải qua hơn 70 năm, nấm ký sinh côn trùng và COD từ nấm ký sinh côn trùng vẫn thu hút đƣợc sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. Ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu về nấm ký sinh côn trùng và ứng dụng của chúng đã đƣợc công bố. Các nghiên cứu tập trung chủ yếu vào đa dạng nấm ký sinh côn trùng hoặc sử dụng sinh khối nấm để sản xuất các chế phẩm ứng dụng làm thuốc trừ sâu, tiêu biểu nhƣ nghiên cứu của các tác giả Nguyễn Thị Lộc [3], Phạm Thị Thùy [10], Phạm Văn Nhạ [6],… Nghiên cứu về COD từ nấm ký sinh côn trùng là vấn đề rất mới mẻ, hiện chƣa có một công trình nghiên cứu nào ở Việt Nam đề cập tới vấn đề này.
Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ) là hai khu vực có độ đa dạng sinh học nổi bật ở miền Bắc Việt Nam. Đƣợc thiên nhiên ƣu đãi về điều kiện tự nhiên vì thế hệ động thực vật ở hai khu vực này rất phong phú, không chỉ có giá trị nghiên cứu khoa học, bảo tồn nguồn gen mà còn có ý nghĩa trong phát triển kinh tế, khai thác tài nguyên thiên nhiên (đặc biệt là tài nguyên sinh vật). Với những khu rừng nhiệt đới và cận nhiệt đới, ở đây có rất nhiều loài động thực vật quý hiếm hiện hữu và đặc trƣng cho vùng núi phía Bắc [2, 8, 223]. Tuy nhiên khu hệ nấm ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn còn chƣa có nhiều nghiên cứu.
Những hiểu biết về đa dạng thành phần loài, đặc điểm sinh học và giá trị sử dụng còn đang rất hạn chế. Đặc biệt, hầu nhƣ không có nghiên cứu nào về nấm gây bệnh côn trùng ở hai khu vực này. 3 Nhằm bổ sung các hiểu biết về nấm ký sinh côn trùng và COD từ nấm ký sinh côn trùng cũng nhƣ góp phần xây dựng danh mục nguồn gen, bảo tồn đa dạng sinh học các loài nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn, chúng tôi lựa chọn nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu đa dạng và sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của nấm ký sinh côn trùng tại Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vườn quốc gia Xuân Sơn”. Mục tiêu đề tài Đánh giá đƣợc thành phần loài và khả năng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide của một số chủng nấm ký sinh côn trùng phân lập đƣợc ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ).
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Nấm đƣợc phân lập từ các mẫu côn trùng thu thập ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ). - Phạm vi nghiên cứu: Phân lập, tuyển chọn, nghiên cứu đặc điểm hình thái và sinh học phân tử của chủng nấm có khả năng sinh tổng hợp COD. Nghiên cứu ảnh hƣởng môi trƣờng và điều kiện nuôi cấy thu nhận COD, tách chiết, tinh sạch và khảo sát hoạt tính sinh học của COD từ chủng nấm đã tuyển chọn. Nội dung nghiên cứu - Phân lập và nghiên cứu đa dạng nấm ký sinh côn trùng từ mẫu thu ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn.
- Tuyển chọn các chủng nấm ký sinh côn trùng có khả năng sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide. - Nghiên cứu định loại chủng nấm đã tuyển chọn bằng phƣơng pháp hình thái và sinh học phân tử. 4 - Nghiên cứu lựa chọn môi trƣờng và điều kiện nuôi cấy, sinh tổng hợp cyclooligomer depsipeptide cho chủng nấm đã tuyển chọn ở quy mô phòng thí nghiệm. - Nghiên cứu thu hồi, tinh sạch và xác định cấu trúc hóa học của cyclooligomer depsipeptide.
- Nghiên cứu khảo sát một số hoạt tính sinh học của các phân đoạn trong quá trình tách chiết cyclooligomer depsipeptide. Những đóng góp mới của luận án - Là luận án đầu tiên nghiên cứu một cách toàn diện (từ khâu phân lập, tuyển chọn, định loại, nghiên cứu các đặc điểm lên men thu nhận, tách chiết, tinh sạch, khảo sát hoạt tính sinh học của COD) về 01 chủng nấm ký sinh côn trùng thuộc chi Cordyceps có khả năng sinh tổng hợp COD và có tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn. - Đây là luận án đầu tiên công bố về đa dạng nấm ký sinh côn trùng và khả năng sinh tổng hợp COD của chủng nấm phân lập từ các mẫu côn trùng thu thập ở Khu bảo tồn thiên nhiên Copia (Sơn La) và Vƣờn quốc gia Xuân Sơn (Phú Thọ). - Lần đầu tiên ghi nhận sự có mặt của loài nấm Cordyceps cateniannulata tại Việt Nam.
- Là công bố đầu tiên trên thế giới về Cordyceps cateniannulata có khả năng sinh tổng hợp COD. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1. Nấm và nấm ký sinh côn trùng 1. Giới thiệu về nấm Nấm là nhóm vi sinh vật nhân thật, đơn bào hoặc đa bào, dị dƣỡng, dinh dƣỡng hấp thu, có cơ thể dạng tản, vách tế bào có chứa chitin và ß- glucan.
Nấm thƣờng là vi sinh vật hiếu khí, sinh sản bằng bào tử (hữu tính và vô tính) [43]. Nấm rất đa dạng, ƣớc tính có khoảng 1,5 tới 15 triệu loài, và hiện nay đã có gần 150 nghìn loài đƣợc phát hiện và miêu tả [23, 67]. Mặc dù con ngƣời biết tới nấm, sử dụng nấm làm thực phẩm, rƣợu… nhƣng cho tới năm 1969 nấm mới đƣợc xếp thành một giới riêng trong hệ thống 5 giới [200]. Hiện nay nấm đƣợc chia làm 5 ngành bao gồm nấm thích ty (Chytridiomycota), nấm tiếp hợp (Zygomycota), nấm mạch (Glomeromycota), nấm túi (Ascomycota) và nấm đảm (Basidiomycota) [182].
Trong đó, gần 84 nghìn loài thuộc ngành Nấm túi, 50 nghìn loài ngành Nấm đảm [222]. Là một ngành sinh vật đa dạng, nấm đã và đang có nhiều tác động đến đời sống con ngƣời từ môi trƣờng sinh thái, nông nghiệp, thực phẩm, dƣợc phẩm và y học. Nấm có vai trò quan trọng trong chu trình dinh dƣỡng, trong các mối quan hệ sinh thái, có khả năng phân hủy lignin, có khả năng cộng sinh giúp bảo vệ thực vật, động vật đồng thời một số ít có khả năng gây bệnh cho thực vật, động vật. Kháng sinh đầu tiên đƣợc phát hiện, tinh sạch, sản xuất thành dƣợc phẩm là penicillin do Penicillium sinh ra.
Từ đó đến nay, đã có hàng nghìn hoạt chất mới đƣợc phát hiện từ nấm. Nấm là nguồn sinh vật có tiềm năng cung cấp đa dạng các hoạt chất có thể ứng dụng trong đời sống con ngƣời [182]. Nấm ký sinh côn trùng 1. Sơ lược về nấm ký sinh côn trùng Nấm ký sinh côn trùng (Entomopathogenic fungi - EPF) hay nấm côn trùng (Insect fungi) là nhóm nấm gây bệnh cho côn trùng [97].
Với đặc tính gây bệnh đặc thù cho các loài côn trùng khác nhau, nấm ký sinh côn trùng đã 6 và đang đƣợc sử dụng làm nhân tố đấu tranh sinh học hiệu quả chống lại các loài côn trùng gây hại mùa màng, cây rừng. Một số khác đƣợc sử dụng trong các quy trình công nghệ sinh học hoặc trong y học [102]. Theo Evans và cộng sự, nấm ký sinh côn trùng đƣợc chia thành 4 nhóm: Nhóm ký sinh trong các nội quan, khoang cơ thể ký chủ; nhóm phát triển trên lớp cuticun vỏ cơ thể của ký chủ; nhóm mọc trên ký chủ và nhóm cộng sinh trên ký chủ [52]. Bào tử nấm tiếp xúc với bề mặt ký chủ, khi gặp điều kiện thuận lợi sẽ mọc mầm, xâm nhiễm vào bên trong cơ thể ký chủ qua lớp vỏ cuticun.
Ngoài ta, nấm ký sinh côn trùng có thể xâm nhiễm vào cơ thể côn trùng qua con đƣờng hô hấp, tiêu hóa. Nấm mọc khắp bên trong cơ thể côn trùng và sản xuất các độc tố nhằm gây chết côn trùng và ngăn chặn sự cạnh tranh của vi sinh vật khác.