Phòng chống sinh học (biological control) là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm sử dụng thuốc bảo vệ thực vật hóa học và hướng tới nền nông nghiệp bền vững. Tuy nhiên, hiệu quả của nhiều chế phẩm sinh học hiện nay vẫn chưa ổn định do chủ yếu được phát triển từ số ít vi sinh vật có thể nuôi cấy được trong phòng thí nghiệm. Sự ra đời của metagenomics đã tạo ra bước ngoặt trong nghiên cứu hệ vi sinh vật (microbiome), mở ra hướng tiếp cận mới trong khám phá và phát triển các tác nhân phòng chống sinh học bệnh cây
Metagenomics là phương pháp phân tích trực tiếp toàn bộ DNA của quần xã vi sinh vật trong một mẫu môi trường mà không cần nuôi cấy. Khác với phương pháp truyền thống, chỉ khảo sát được dưới 1% số vi sinh vật có khả năng nuôi cấy, metagenomics cho phép nghiên cứu gần như toàn bộ hệ vi sinh vật trong đất vùng rễ (rhizosphere), mô nội sinh (endosphere), bề mặt lá (phyllosphere) và các môi trường liên quan đến cây trồng. Hiện nay, metagenomics được triển khai theo hai hướng chính: metagenomics cấu trúc (amplicon sequencing), sử dụng các chỉ thị như 16S rRNA, ITS hoặc 18S rRNA để xác định thành phần và đa dạng quần xã vi sinh vật; và metagenomics chức năng (shotgun metagenomics), phân tích toàn bộ metagenome nhằm phát hiện các gen chức năng và con đường chuyển hóa liên quan đến hoạt tính đối kháng, độc lực của tác nhân gây bệnh và thúc đẩy sinh trưởng cây trồng.
Các chương trình phòng chống sinh học truyền thống chủ yếu dựa trên việc phân lập, nuôi cấy và sàng lọc các chủng Bacillus, Pseudomonas, Trichoderma hoặc Streptomyces. Cách tiếp cận này có nhiều hạn chế như: (i) bỏ sót phần lớn vi sinh vật không thể nuôi cấy; (ii) lựa chọn tác nhân sinh học chủ yếu dựa trên khả năng đối kháng trong điều kiện phòng thí nghiệm nên hiệu quả ngoài đồng ruộng thường không ổn định; (iii) chưa xem xét đầy đủ tương tác giữa vi sinh vật với quần xã bản địa và cây trồng; (iv) khó phát hiện các gen tạo chất kháng sinh, chất kích thích sinh trưởng hoặc các cơ chế ức chế tác nhân gây bệnh mới. Vì vậy, nhiều chế phẩm sinh học cho hiệu quả thấp hoặc không ổn định giữa các vùng sinh thái.
Metagenomics khắc phục hầu hết các hạn chế trên. Công nghệ này cho phép phát hiện đồng thời vi sinh vật gây bệnh và vi sinh vật có lợi, xác định các loài chủ chốt (keystone taxa), theo dõi sự thay đổi của hệ vi sinh vật trong quá trình phát sinh bệnh và nhận diện các gen liên quan đến tổng hợp kháng sinh, siderophore, enzyme phân giải thành tế bào, chất kích thích sinh trưởng và các cơ chế cảm ứng tính kháng của cây. Đặc biệt, shotgun metagenomics còn giúp phát hiện các cụm gen sinh tổng hợp (biosynthetic gene clusters), làm cơ sở tuyển chọn các chủng vi sinh vật có lợi hoặc xây dựng các cộng đồng vi sinh vật tổng hợp (Synthetic Microbial Consortia – SynComs) có hiệu quả và tính ổn định cao hơn so với sử dụng một chủng đơn lẻ.
Sự phát triển của metagenomic gắn liền với nhiều cột mốc quan trọng. Thuật ngữ “metagenomics” được Jo Handelsman và cộng sự đề xuất năm 1998. Giai đoạn 2005–2010, sự ra đời của công nghệ giải trình tự thế hệ mới (NGS) như Illumina đã thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu microbiome. Từ khoảng 2015, shotgun metagenomics cùng các công nghệ PacBio và Oxford Nanopore cho phép phân tích ở mức loài, chủng và chức năng gen. Những năm gần đây, metagenomic tiếp tục được tích hợp với transcriptomics, metabolomics, trí tuệ nhân tạo và công nghệ thiết kế hệ vi sinh vật (microbiome engineering) để phát triển các hệ thống phòng chống sinh học chính xác hơn.
Chế phẩm sinh học ứng dụng metagenomics đã bước đầu được thương mại hóa. Chẳng hạn, công ty Indigo Ag (Mỹ) đã sử dụng công nghệ metagenomics để khám phá và tuyển chọn các vi khuẩn nội sinh có lợi, từ đó phát triển các chế phẩm thương mại thuộc dòng Biotrinsic®, góp phần tăng khả năng chống chịu và năng suất cây trồng. Thành công này cho thấy metagenomics không chỉ là công cụ nghiên cứu mà còn là nền tảng quan trọng trong phát triển thế hệ chế phẩm sinh học mới.
Trong tương lai, metagenomics được kỳ vọng sẽ đóng vai trò trung tâm trong quản lý bệnh cây bền vững thông qua phát hiện sớm nguy cơ bùng phát dịch bệnh, thiết kế chế phẩm vi sinh theo từng hệ sinh thái, xây dựng cộng đồng vi sinh vật nhân tạo, giám sát sức khỏe đất và hỗ trợ nông nghiệp chính xác. Sự kết hợp giữa metagenomics với các công nghệ omics khác, trí tuệ nhân tạo và sinh học tổng hợp sẽ thúc đẩy quá trình phát triển thế hệ chế phẩm sinh học mới có hiệu quả cao, thân thiện với môi trường và thích ứng tốt với biến đổi khí hậu.
Hình 1. Vai trò của metagenomics trong khám phá và phát triển chế phẩm sinh học phòng chống bệnh cây
(Hà Viết Cường: tổng hợp từ Ruiz et al., 2025; Cabanás & Mercado-Blanco, 2025, cùng các tài liệu tham khảo khác)