Điểm nổi bật
- Phản ứng hệ phiên mã (transcriptomic) của tôm đối với EHP được nghiên cứu thông qua các thí nghiệm gây nhiễm.
- Các gen biểu hiện khác biệt (DEGs) liên quan đến miễn dịch và trao đổi chất đã được phân tích.
- Nhiễm EHP có thể kích hoạt hệ thống miễn dịch của tôm.
- EHP tăng cường chuyển hóa lipid nhưng ức chế chuyển hóa carbohydrate và axit amin.
Tóm tắt
- Enterocytozoon hepatopenaei (EHP) là một ký sinh trùng nội bào chuyên biệt, chủ yếu ký sinh trong gan tụy của tôm, gây hiện tượng chậm tăng trưởng nghiêm trọng. Trong nghiên cứu này, tôm Penaeus vannamei được gây nhiễm EHP thông qua thí nghiệm gây nhiễm nhân tạo, và các gen cũng như các con đường sinh học khác biệt trong gan tụy giữa tôm nhiễm EHP và tôm khỏe mạnh được phân tích bằng giải trình tự hệ phiên mã.
- Kết quả cho thấy tổng cộng có 240 gen biểu hiện khác biệt có ý nghĩa, bao gồm 99 gen tăng biểu hiện và 141 gen giảm biểu hiện. Các gen liên quan đến miễn dịch như Astakine, lysozyme, NACHT, protein chứa LRR và PYD 3 (NLRP3), và thụ thể mannose của đại thực bào dạng 1 (MMR) đều tăng biểu hiện. Đồng thời, mức biểu hiện của các gen liên quan đến chuyển hóa lipid như lipase-related protein 2 (PLRP2), lipase axit lysosome (LIPA) và protein thụ thể adiponectin (AdipoR) cũng tăng lên.
- Ngược lại, một số gen liên quan đến chuyển hóa carbohydrate và protein bị giảm biểu hiện, bao gồm glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH), trypsin-1, và delta-1-pyrroline-5-carboxylate synthase (ALDH18A1).
- Những kết quả này cho thấy nhiễm EHP ở tôm có thể kích hoạt mạnh mẽ hệ miễn dịch, nhưng đồng thời làm rối loạn các quá trình chuyển hóa năng lượng và trao đổi chất. Nghiên cứu đã xác định được một số lượng lớn các gen và con đường sinh học liên quan đến nhiễm EHP, cung cấp nguồn dữ liệu quan trọng cho việc làm sáng tỏ cơ chế phân tử của hiện tượng chậm tăng trưởng ở tôm.
Giới thiệu
- Là nguồn cung cấp protein chất lượng cao quan trọng, tôm là loài thủy sản có khối lượng thương mại lớn nhất trong các sản phẩm thủy sản quốc tế. Penaeus vannamei là loài được nuôi phổ biến nhất và có hiệu quả kinh tế cao nhất trên thế giới, chiếm khoảng 6% tổng sản lượng thủy sản. Tuy nhiên, các vi sinh vật trong môi trường nước đã gây ra những thiệt hại kinh tế to lớn cho ngành nuôi tôm, điển hình như virus gây hội chứng đốm trắng (WSSV), Enterocytozoon hepatopenaei (EHP), Vibrio parahaemolyticus và nhiều tác nhân khác. Do đó, việc nghiên cứu cơ chế gây bệnh thông qua công nghệ sinh học phân tử có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển bền vững của ngành nuôi tôm.
- Vi bào tử trùng (Microsporidia) là nhóm ký sinh trùng phân bố rộng rãi trong tự nhiên, với phổ vật chủ rất đa dạng, từ động vật nguyên sinh đến động vật có vú. Trước đây đã có nhiều tranh luận về việc vi bào tử trùng thuộc nhóm động vật nguyên sinh hay nấm, cho đến gần đây chúng mới được phân loại lại là nấm chứ không phải động vật nguyên sinh. EHP là một nhánh của vi bào tử trùng, lần đầu tiên được phát hiện vào năm 2009 trên tôm sú nuôi tại Thái Lan và sau đó nhanh chóng lan rộng. Hiện đã có nhiều báo cáo về EHP tại Đông Nam Á, Trung Quốc và các khu vực khác. Tôm nhiễm EHP có tốc độ sinh trưởng chậm, chiều dài và khối lượng cơ thể nhỏ hơn rõ rệt so với tôm được nuôi cùng thời điểm, nhưng không gây chết hàng loạt. Điều này dẫn đến sự lãng phí lớn về thức ăn và gây thiệt hại kinh tế đáng kể cho ngành nuôi tôm.
- Các nghiên cứu mô bệnh học cho thấy EHP chủ yếu ký sinh trong các tế bào biểu mô ống gan tụy của tôm – đây là vị trí cư trú chính của EHP – trong khi chỉ phát hiện một lượng nhỏ ở dạ dày và ruột. Dưới kính hiển vi điện tử, bào tử EHP có kích thước khoảng 0,7 × 1,1 μm, bao gồm một nhân đơn, 5–6 vòng sợi cực, một không bào phía sau và một thành tế bào dày, đậm. Ngoài ra, sự lây truyền ngang của EHP đã được ghi nhận thông qua việc nuôi chung tôm khỏe với tôm bệnh, cũng như cho tôm khỏe ăn tôm bệnh nhiễm EHP. Do kích thước nhỏ và thời gian ủ bệnh dài của EHP, các phương pháp phát hiện hiện nay chủ yếu dựa trên test PCR và LAMP kết hợp với thuốc nhuộm huỳnh quang (SYTO-16). Bên cạnh đó, lai tại chỗ (in situ hybridization) và tiêu bản mô học cũng thường được sử dụng để phát hiện nhiễm EHP trên tôm. Gần đây, một phương pháp chẩn đoán EHP mới đã được đề xuất dựa trên việc phân tích đặc tính của ống cực (polar tubule) của EHP.
- Điều quan trọng là khi các vi sinh vật gây bệnh như vi khuẩn và virus xâm nhập, hệ miễn dịch của cơ thể sẽ được kích hoạt để thực hiện chức năng bảo vệ vật chủ. Vi bào tử trùng, với tư cách là ký sinh trùng nội bào, có thể sinh sản và gây nhiễm cho vật chủ thông qua các ống cực đặc trưng của chúng. Tôm là động vật không xương sống, chủ yếu sử dụng hệ miễn dịch bẩm sinh để đáp ứng với sự xâm nhập của các vi sinh vật gây bệnh. Hệ miễn dịch bẩm sinh của tôm chủ yếu bao gồm hệ thống nhận diện vi sinh vật và hệ thống hoạt hóa prophenoloxidase (proPO). Sự xâm nhập của EHP có thể kích hoạt hàng loạt phản ứng miễn dịch, từ đó khởi động hệ thống phòng vệ của vật chủ.
- Gan tụy, với vai trò là “nhà máy chuyển hóa” của tôm, giữ vai trò không thể thay thế trong miễn dịch và trao đổi chất. Khi tôm bị nhiễm EHP, hoạt tính của alanine aminotransferase (ALT), aspartate aminotransferase (AST) và alkaline phosphatase (ALP) tăng lên đáng kể, đồng thời các yếu tố miễn dịch như lysozyme và lectin kiểu C được hoạt hóa để chống lại tác nhân gây bệnh. Ngoài ra, trong quá trình thích nghi tiến hóa với vật chủ, EHP đã dần mất đi ty thể cũng như các enzyme và gen liên quan đến đường phân, phosphoryl hóa oxy hóa và chuyển hóa carbon, và phải dựa vào việc chiếm đoạt ATP của vật chủ để duy trì nhu cầu năng lượng của chính mình.
- Trong những năm gần đây, các nền tảng giải trình tự thế hệ mới ngày càng hoàn thiện và thể hiện rõ các ưu thế kỹ thuật. Việc phân tích mức độ phiên mã gen đã giúp cho các nghiên cứu cơ bản về sinh học phân tử trở nên dễ tiếp cận và đáng tin cậy hơn. Tuy nhiên, hiện vẫn còn tương đối ít nghiên cứu về phân tích hệ phiên mã của P. vannamei dưới điều kiện nhiễm EHP thực nghiệm, và các cơ chế đáp ứng miễn dịch cũng như chuyển hóa của vật chủ đối với EHP vẫn chưa được hiểu rõ. Do đó, việc sử dụng công nghệ giải trình tự hệ phiên mã thế hệ mới để xây dựng hệ phiên mã của P. vannamei trong điều kiện nhiễm EHP sẽ giúp phân tích sâu hơn cơ chế phân tử của các phản ứng sinh lý ở giáp xác khi bị nhiễm mầm bệnh.
- Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành gây nhiễm EHP nhân tạo cho tôm P. vannamei khỏe mạnh và xác nhận tình trạng nhiễm EHP bằng phương pháp PCR trên DNA chiết tách từ gan tụy của tôm. Sau đó, gan tụy của tôm nhiễm EHP và tôm khỏe mạnh được giải trình tự riêng biệt nhằm thu thập các gen biểu hiện khác biệt liên quan đến các phản ứng sinh lý, đồng thời một số kiểu biểu hiện gen then chốt cũng được kiểm chứng. Mục tiêu của nghiên cứu là làm rõ những thay đổi trong các quá trình miễn dịch và trao đổi chất của P. vannamei khi nhiễm EHP, từ đó góp phần làm sáng tỏ cơ chế phân tử của hiện tượng chậm tăng trưởng và cung cấp cơ sở thực nghiệm cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực liên quan.
Động vật thí nghiệm
Tôm P. vannamei sử dụng cho thí nghiệm được thu từ một ao nuôi thủy sản tại thành phố Đông Doanh, tỉnh Sơn Đông, với chiều dài cơ thể 3 ± 1 cm và khối lượng 2,8 ± 0,1 g. Trước khi tiến hành thí nghiệm, tôm đã được kiểm tra bằng PCR đối với WSSV, virus hoại tử cơ quan tạo máu (IHHNV), virus hoại tử cơ (IMNV) và EHP nhằm đảm bảo không bị nhiễm mầm bệnh và đủ điều kiện sử dụng cho thí nghiệm. Nhằm đảm bảo sự sinh trưởng và phát triển bình thường của lô P. vannamei này.
Phát hiện nhiễm EHP trên tôm
Thông qua so sánh giữa nhóm thí nghiệm và nhóm đối chứng, có thể dễ dàng quan sát thấy rằng chiều dài và khối lượng cơ thể của tôm trong nhóm thí nghiệm nhỏ hơn đáng kể so với nhóm đối chứng. Không ghi nhận thêm các khác biệt rõ rệt khác và không có hiện tượng chết. DNA được chiết tách từ gan tụy của tôm ở hai nhóm được khuếch đại bằng phương pháp PCR thông thường.
Thảo luận
Kể từ khi EHP được phát hiện lần đầu, ngành nuôi tôm toàn cầu đã phải gánh chịu những tổn thất kinh tế rất lớn. Do EHP khó được phát hiện ở giai đoạn nhiễm sớm và dễ dàng lây truyền theo chiều ngang hoặc chiều dọc, nên cuối cùng có thể dẫn đến nhiễm bệnh trên toàn đàn. Ngoài ra, EHP làm rối loạn quá trình chuyển hóa năng lượng và cản trở sự sinh trưởng, phát triển bình thường của tôm, khiến chiều dài và khối lượng của tôm bệnh thấp hơn rõ rệt so với tôm khỏe mạnh. EHP đã thu hút nhiều sự quan tâm của giới nghiên cứu.
Tuyên bố đóng góp của tác giả
- Zheng Cao: Phân tích dữ liệu giải trình tự, thực hiện thí nghiệm và viết bản thảo.
- Yang Gao: Hỗ trợ thực hiện thí nghiệm gây nhiễm EHP, thí nghiệm phát hiện và phân tích dữ liệu giải trình tự.
- Jiahui Xu: Hỗ trợ thực hiện thí nghiệm gây nhiễm và phát hiện EHP.
- Ning Yang: Hỗ trợ thực hiện thí nghiệm.
Tuyên bố xung đột lợi ích
Các tác giả tuyên bố rằng không có xung đột lợi ích tài chính hay mối quan hệ cá nhân nào đã hoặc có thể ảnh hưởng đến báo cáo trong bài báo này.
Lời cảm ơn
Chúng tôi xin cảm ơn Yingying Zhang vì những đóng góp trong thí nghiệm gây nhiễm EHP. Đồng thời, chúng tôi cũng bày tỏ sự cảm kích tới Zihao Hou và Jiyue Yu vì đã hỗ trợ trong việc chuẩn bị mẫu. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Tự nhiên tỉnh Sơn Đông (ZR2020QC213), Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Yantai về Phát triển và Ứng dụng Sinh vật Biển Đặc trưng (số 2023) và Kinh phí khởi động nghiên cứu khoa học của Đại học Ludong (20220022).
