Câu 1. Các khái niệm cơ bản về tính kháng bệnh thực vật.

- Tính kháng (resistance): Là khả năng loại bỏ hoặc khắc phục hoàn toàn, hoặc ở mức độ nào đó, ảnh hưởng của tác nhân gây bệnh hoặc các yếu tố gây hại.

- Miễn dịch (Immunity): Là dạng cực  kháng, có nghĩa tác nhân gây bệnh không thể gây bệnh cho cây

- Bệnh là ngoại lệ chứ không phải qui luật: Cây thường không bị bệnh mặc dù trong suốt đời sống của mình cây có thể tiếp xúc với rất nhiều tác nhân gây bệnh. Mỗi loài cây trung bình bị tấn công bởi khoảng 100 loại tác nhân gây bệnh khác nhau; và mỗi một cá thể cây có thể bị hàng trăm tới hàng trăm ngàn cá thể của 1 loại tác nhân gây bệnh. Mặc dù có thể chịu thiệt hại nhưng cây vẫn tồn tại, và nhìn chung sinh trưởng và phát triển tốt.

Nếu tác nhân gây bệnh có thể tiếp xúc nhưng hoàn toàn không gây bệnh cho cây thì cây được gọi là cây phi ký chủ (non-host) của tác nhân gây bệnh và tính kháng của cây trong trường hợp này được gọi là tính kháng phi kí chủ (non-host resistance) hay còn được gọi là tính kháng cơ bản (basic resistance). Tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây, trong trường hợp này được gọi là tương tác không tương hợp (incompatible reaction). Cây phi kí chủ của một tác nhân gây bệnh đôi khi được gọi là miễn dịch đối với tác nhân gây bệnh đó.

Ví dụ mối quan hệ giữa nấm đạo ôn lúa với cây cà chua.

Nếu tác nhân gây bệnh tiếp xúc và có thể gây bệnh ở một mức độ nào đó đối với cây thì cây, trong trường hợp này, được gọi là cây ký chủ (host) và tính kháng của cây được goi là tính kháng ký chủ (host resistance). Tính kháng ký chủ được chia thành 2 loại: tính kháng đặc hiệu chủng (race-specific resistance) và tính kháng không đặc hiệu chủng (race-none-specific resistance).

- Tính kháng không đặc hiệu chủng: (Race-non-specific resistance): Tính kháng yếu nhưng kháng được đối với tất cả kiểu gen của 1 tác nhân gây bênh. Tính kháng không đặc hiệu chủng còn được gọi là tính kháng ngang (horizontal resistance).

- Tính kháng đặc hiệu chủng: (Race-specific resistance): Tính kháng cao nhưng chỉ kháng được một số kiểu gen (chủng, nòi) của tác nhân gây bệnh. Tính kháng đặc hiệu chủng còn được gọi là tính kháng dọc (vertical resistance).

- Tính kháng bẩm sinh (Innate resistance): Tính kháng do tiềm năng di truyền qui định.

- Tính kháng tạo được (Acquired resistance=induced resistance). Tính kháng hình thành hoặc cục bộ hoặc hệ thống trên cây ký chủ mẫn cảm khi bị kích thích bởi tác nhân gây bệnh hoặc yếu tố vô sinh.

- Tính kháng cả đời (hay còn gọi là tính kháng cây con) (Seedling or overall resistance): Tính kháng biểu hiện ở tất cả các giai đoạn của cây. Việc chọn tính kháng thường làm ở giai đoạn cây con. Tính kháng này thường được điều khiển bởi các các gen chủ đặc hiệu chủng.

- Tính kháng mô trưởng thành (Mature tissue resistance): Ở một số loài cây, chỉ có mô non mẫn cảm với bệnh còn các mô già hoàn toàn kháng.

- Tính kháng cây trưởng thành (Adult plant resistance): Tính kháng chỉ biểu hiện khi cây trưởng thành, thường do các gen chủ đặc hiệu chủng  điều khiển.

- Tính kháng gen chủ (Major gene resistance): Tính kháng được qui định bởi một hoặc vài gen có ảnh hưởng lớn đến sự biểu hiện tính kháng. Mức độ lớn này đủ để tạo ra các tính trạng kháng riêng rẽ không liên tục.

- Tính kháng gen thứ (Minor gene resistance): Tính kháng được qui định bởi các gen có ảnh hưởng nhỏ đến biểu hiện tính kháng. Mức độ nhỏ này tạo tính trạng kháng liên tục.

- Tính kháng đơn gen (Monogenic resistance): tính kháng được điều khiển bởi chỉ 1 gen, thường là gen chủ.

- Tính kháng đa gen (polygenic resistance): tính kháng được điều khiển bởi nhiều gen, thường là các gen thứ.

- Tính kháng chất lượng (qualitative resistance ): Kiểu gen cây ký chủ không có sự biến động liên tuc trong tính kháng. Kiểu gen kháng và mẫn cảm có thể phân biệt dễ dàng.

- Tính kháng số lượng (Quantitative resistance-QR): Kiểu gen của cây ký chủ có sự biến động liên tuc trong biểu hiện tính kháng từ kháng rất nhẹ tới khá kháng. Hầu hết các giống cây đều có tính kháng số lượng.

- Tính kháng đồng ruộng (Field resistance): Tính kháng biểu hiện tốt nhất trên đồng ruộng, thường là tính kháng số lượng.

- Tính kháng bền vững (Durable resistance): Tính kháng duy trì trong thời gian lâu dưới tác động của tác nhân gây bệnh.

- Tính kháng ổn định (Stable resistance): Đôi khi dùng sai theo nghĩa tính kháng bền vững. Nghĩa đúng là tính kháng được biểu hiện ở nhiều điều kiện sinh trưởng khác nhau. Ví dụ nhiều gen kháng gỉ sắt của cây ngũ cốc mẫn cảm với nhiệt độ nên có thể được xem là có tính kháng không ổn định.

- Tính kháng biểu kiến (apparent resistance). Trong một số điều kiện nào đó, mặc dù tác nhân gây bệnh và ký chủ là tương hợp với nhau (thậm chí ký chủ rất mẫn cảm) nhưng cây có thể không bị nhiễm bệnh hoặc nhiễm bệnh nhưng không biểu hiện triệu chứng hoặc triệu chứng không đáng kể. Trường hợp này được gọi là tính kháng biểu kiến. Tính kháng biểu kiến gồm 2 loại: sự thoát bệnh và chịu bệnh.

+  Sự thoát bệnh (Disease escape). Một cây (giống cây) ký chủ mẫn cảm có thể thoát bệnh nếu 3 thành phần cần thiết cho sự hình thành và phát triển bệnh (ký chủ mẫn cảm, tác nhân gây bệnh độc và môi trường thuận lợi) không trùng khớp và tương tác với nhau tại thời điểm thích hợp hoặc với thời lượng đủ.

+ Tính chịu bệnh (Tolerance). Tính chịu bệnh là khả năng của cây bị nhiễm bệnh nhưng không bị ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng và sinh sản. Cần chú ý là, mặc dù có ý kiến cho rằng chịu bệnh là một dạng của kháng bệnh, thì sự khác nhau căn bản ở đây là đối với tính chịu bệnh, cây không biểu hiện bất cứ phản ứng kháng bệnh nào.

- Phản ứng siêu nhạy: là phản ứng của cây đối với sự nhiễm bệnh trong đó các tế bào bị xâm nhiễm và các tế bào lân cận chết nhanh chóng tạo ra vết chết hoại. Vết chết hoại này sẽ ngăn không cho tác nhân gây bệnh phát triển tiếp.

Câu 2. Đặc điểm chung của tác nhân gây bệnh cây: Quá trình xâm nhập của các tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào. Dinh dưỡng ký sinh của tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào. Độc tố của tác nhân gây bệnh, Độc tố ko chọn lọc ký chủ (NST) và các độc tố chọn lọc ký chủ (HST)

1. Đặc điểm xâm nhập của nấm, vi khuẩn và virus vào trong cây. Đặc điểm dinh dưỡng gây bệnh của mỗi nhóm?

a. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh của nấm:

* Đặc điểm chung của nấm gây bệnh:

- Trên 80% số bệnh hại cây trồng là do nấm bệnh gây ra.

- Phần lớn nấm có cơ quan sinh trưởng là sợi nấm có cấu tạo hợp thành một tản nấm.

- Sợi nấm đa bào hoặc đơn bào, phân nhánh.

- Ko có diệp luc, dị dưỡng.

- Tế bào sợi nấm có vách tâc bào (glucan, chitin), nhân. Tế bào chất có không bào và các bào quan khác

* Đăc điểm xâm nhập của nấm:

- Nấm có thể xâm nhập vào cây bằng sợi nấm hay bào tử, phần lớn nấm xâm nhập vào cây bằng bào tử. Trước khi xâm nhậm bào tử phải tiếp xúc với bề mặt ký chủ, gặp điều kiện thuận lợi bào tử này mầm thành ống dẫn mầm. Tùy từng loại nấm mà nấm có thể xâm nhập vào bênh trong câu trực tiếp hay gián tiếp.

+ Xâm nhập trực tiếp (chủ động):

üBào tử của 1 số loại nấm, VD bào tử động phytophthora, Plasmodiophora brassicae nẩy mầm thành ống mầm xâm nhập trực tiếp qua bề mặt rễ.

üBào tử 1 số loại nấm, VD bào tử phân sinh nấm Alternaria nảy mầm thành ống mầm xâm nhập trực tiếp qua tầng cutin của lá. Trong quá trình xâm nhập trực tiếp, nấm luôn tiết ra enzyme để làm mềm bề mặt và tạo điều khiện thuận lợi cho sự nảy mầm.

üĐối với một số nấm, VD Pyricularia oryzae, Colletotrichum, Oidium bào tử nảy mầm thành ống mầm. Đầu ống mầm hình thành một cấu trúc đặc biệt gọi là giác bám hay còn gọi là vòi bám/đĩa áp (appressorium). Trên giác bám hình thành để xâm nhập hay còn gọi là vòi xâm nhập/moc xâm nhập (penetration peg) đâm xuyên qua bề mặt ký chủ gồm tầng cutin và vách tế bào. Giác bám tích lũy nhiều carbonhydrate (chủ yếu glycerol) tạo áp lực thẩm thấu cao, giúp hút nước từ bên ngoài vào trong giác bám, tạo 1 ám suất trương lớn (như giác bám của nấm phấn trắng tạo áp suất trương khoảng 20-40atm, của Pyricularia oryzae khoảng 80atm, trong khi của lốp xe ô tô chỉ khoảng 2-3atm). Áp suất trương cao cho phép nấm xâm nhập qua bề mặt ký chủ bằng đến xâm nhập dễ dàng. Mặc dù sự xâm nhập bằng giác bám và đế xâm nhập là do lực cơ học nhưng nấm cũng tiết ra các enzyme nhằm hỗ trợ cho sự xâm nhập như cellulose, pectinase. Trong nhiều trường hợp, VD nấm đạo ôn, sự xâm nhập chỉ có thể xẩy ra nếu giác bám tích lũy sắc tố đen (melanin). Melanin sẽ làm cho vách giác bám vững chắc, ko bi vỡ khi giác bám hút nước để tạo áp suất trương lớn.

+ Xâm nhập gián tiếp (thụ động):

üQua lỗ mở tự nhiên: 1 số loại nấm sẽ nhập vào cây qua lỗ mở tự nhiên như khó khổng, thủy khổng, bì khổng. VD bào tử nấm Cercospora, bào tử nấm rỉ sắt, nảy mầm thành ống mầm và xâm nhập vào cây qua khí khổng.

üQua các vết thương cơ giới, các vết nứt tự nhiên: Một số loại nấm có thể xâm nhập qua các tổn thương cơ giới hoặc các vết nứt tự nhiên. VD bào tử nấm Fusarium oxysporum nảy mầm thành ống mầm và xâm nhập qua vết nứt hình thành khi rễ bên nhú ra từ rễ chính.

Chú ý: một số loại nấm có thể xâm nhập vào cây qua cả 2 hình thức chủ động và thụ động.

* Dinh dưỡng gây bệnh của nấm:

- Nhóm tạo vòi hút: để hấp thụ dinh dưỡng, nhiều loài, chủ yếu thuộc nhóm sinh dưỡng bắt buộc (obligate biotroph) như sương mai, gỉ sắt, phấn trắng hoặc 1 số loài thuộc nhóm bán sinh dưỡng (semi-biotroph) như Pyricularia oryzae, Pseudmonas syringae tạo ra cấu trức gọi là vòi hút (haustorium) bên trong tế bào ký chủ để hấp thụ dinh dưỡng. Các nấm thuộc nhóm sinh dưỡng thường ko giết chết tế bào, còn các nấm thuộc nhóm bán sinh dưỡng thì giết chết tế bào về sau.

- Nhóm ko tạo vòi hút: Các nhóm nấm hoại dưỡng (necrotroph) như Rhizoctonia, Sclerotium thường ko tạo thành vòi hút mà ngay trong quá trình xâm nhập, chúng tiến hành phân hủy tế bào và mô ký chủ bằng enzyme và độc tố.

b. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh của vi khuẩn:

* Đặc điểm xâm nhập của vi khuẩn:

- Mặc dù vi khuẩn có khả năng di chuyển bằng lông roi trong màng nước, nhưng do ko có khả năng tự xuyên thủng bề mặt nguyên vẹn của ký chủ nên phần lớn vi khuẩn xâm nhập vào cây hoàn toàn thụ động qua các lỗ mở tự nhiên như khí khổng, thủy khổng, bì khổng hoặc qua các vết thương cơ giới trên lá, rễ. Trên lá, điều kiện màng nước là hoàn toàn cần thiết để giúp vi khuẩn có thể di chuyển tới lỗ mở.

- Một số vi khuẩn lan truyền nhờ vecter sẽ xâm nhập vào cây nhờ vector như vi khuẩn Erwinia tracheiphila xâm nhập nhờ bọ cách cứng Acalymma vittata.

- Một số loài vi khuẩn biệt dưỡng cũng xâm nhập vào cây nhờ vector như Candidatus liberobacter asiaticus xâm nhập vào cây nhờ rầy chống cacnhs Diaphorina citri.

* Dinh dưỡng gây bệnh của vi khuẩn: Sauk hi xâm nhập vào trong mô vi khuẩn ko hình thành bất cứ 1 cấu trúc đặc biệt nào để hấp thụ dinh dưỡng. DO vậy, vi khuẩn sẽ sử dụng các enzyme và độc tố để phân hủy tế bào ký chủ và vật chất hữu cơ để hấp thụ qua màng tế bào, ngoài ra việc tiết ra các enzyme và độc tố còn có tác dụng giúp vi khuẩn khác phục tính kháng của cây ký chủ.

c. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh virus:

* Đặc điểm xâm nhập của virus: mặc dù nhiều loài virus có thể xâm nhập vào cây nhờ tổn thương cơ giới thì ngoài tự nhiên hầu hết virus xâm nhập vào cây nhờ vector.

Dinh dưỡng gây bệnh của virus: Virus có hình thức dinh dưỡng đặc biệt hơn so với nấm và vi khuẩn. Vì số lượng gen mã hóa bởi virus rất ít nen quá trình tái sinh virus phụ thuộc vào vật liệu, bộ máy tổng hợp acid nucleotide, năng lượng (chủ yếu dưới dạng các hợp chất cao năng như ATP), bộ máy dịch mã (ribosome, tRNA, các enzyme lien quan) của tế bào ký chủ. Cần chú ý là ngoài sử dụng tài nguyên của tế bào ký chủ thì quan trọng hơn, virus gây bệnh cây nhờ tương tác giữa protein virus (mặc dù ít) với các chất chịu trách nhiệm cho chức năng sinh lý của té bào ký chủ.

- Như Protein replicase của virus TMV tương tác với protein Aux/IAA của tế bào ký chủ chịu trách nhiệm điều hòa các phản ứng sinh hóa qua đường hướng dẫn truyền auxin.

- Protein Pep của geminivirus tương tác với protein tương tự Retinoblastoma (pRBR) của tế bào ký chủ, chịu trách nhiệm điều khiển chu kỳ tế bào.

2. Đặc điểm độc tố của tác nhân gây bệnh (chủ yếu là của nấm và vi khuẩn): trong quá trình gây bệnh, tác nhân gây bệnh có thể tiết ra một số chất gây độc cho tế bào và mô ký chủ gọi là độc tố. Độc tố có 1 số đặc điểm sau:

- Ko có bản chất enzyme nhưng đa dạng về thành phần và cấu trúc hóa học.

- Tác động lên tế bào ở nồng độ rất thấp.

- Thường do tác nhân gây bệnh tổng hợp trên cây, nhưng cũng có thể tổng hợp trên môi trường nhân tạo.

- Tác động lên nhiều chức năng sinh lý của tế bào, chủ yếu thông qua sự tương tác với các enzyme chức năng của tế bào.

- Độc tố có thể đóng vai trò như tác nhân qui định tính gây bệnh (còn gọi là yếu tố gây bệnh) tác động phụ thuộc chất lượng (có nghĩa phụ thuộc sự có mặt hay ko có mặt của độc tố).

- Phần lớn là nấm và vi khuẩn thuộc nhóm haoij dưỡng (necrotroph), một số cun gx gây hại cho động vật.

- Chức năng: Giết chêt tế bào để (1) giải phóng dinh dưỡng cần cho tác nhân gây bệnh hoặc (2) ngăn cản tế bào thực hiện các phản ứng phòng thủ.

3. Độc tố ko chọn lọc ký chủ:

- Là loại độc tố ko chỉ tác động lên loài cây ký chủ của tác nhân gây bệnh mà còn tác động lên nhiều loài cây khác ko phải ký chủ của tác nhân gây bệnh → tác động ko chọn lọc.

- Thường là chủ yếu độc nghĩa là làm tăng tính độc của tcas nhân gây bệnh (tăng mức độ biểu hiện của triệu chứng).

- Về cơ chế tác động: 1 số độc tố ức chế enzyme của tế bào ký chủ dẫn tới sự tính lũy các chất tới mức gây đầu độc tế bào hoặc làm thiếu hụt nghiêm trọng các chất cần thiết cho tế bào.

- VD: Tentoxin: do nấm Alternaria alternate (gây đốm và biến vàng trên nhiều loại cây) tạo ra. Tentoxin là 1 tetrapeptide vòng tương tác với 1 protein liên quan đến dẫn truyền năng lượng vào lục lạp (Chloroplast F(1) – ATPase/ CF(1)). Độc tố gây ức chế quá trình quang phosporyl hóa. Ở những loài cây mẫn cảm, tentoxin còn ảnh hưởng tới sự phát triển bình thường của lục lạp dẫn tới mô bị biến màu do mất khả năng tổng hợp chlorophyll. Nhoài ra, tentoxin còn ức chế hoạt tính của polyphenol oxydase cần cho phản ứng phòng thủ của cây.

4. Độc tố chọn lọc ký chủ:

- Tác động chọn lọc: chỉ tác động đến loài cây ký chủ của tác nhân gây bệnh

- Thường là yếu tố gây bệnh nghĩa là tác nhân gây bệnh chỉ có thể gây bệnh cùng với sự có mặt của độc tố do nó tiết ra.

- VD: Victorin (HV toxin): do nấm cochlibolus victoriae tổng hợp nên và gây bệnh trên cây dại mạch. Nấm bệnh xuất hiện tại Mỹ năm 1945 và gây bệnh trên cây đại mạch Victoria. Chỉ có chủng nấm HV toxin mới có khả năng gây bệnh trên giống đại mạch này. Victorin là 1 pentapeptide gây hại màng tế bào ký chủ, úc chế enzyme glycine decarboxylase do đó ảnh hưởng đến quang hô hấp của tế bào.

Câu 3. Khái niệm tính gây bệnh, tính độc của tác nhân gây bệnh

* Tính gây bệnh (pathogenicity/pathogenic): là khả năng gây ra bệnh trên cây của một tác nhân. Đây là một khái niệm chất lượng có nghĩa một tác nhân chỉ có thể gây bệnh hoặc không gây bệnh.

* Yếu tố gây bệnh (pathogenic factor): là các chất hình thành bởi tác nhân gây bệnh qui định tính gây bệnh. Nói cách khác, các yếu tố gây bệnh liên quan đến các bước chủ chủ chốt của quá trình gây bệnh bao gồm: nhận biết ký sinh – ký chủ, gắn kết tác nhân gây bệnh trên bề mặt ký chủ, nảy mầm và hình thành các cấu trúc xâm nhập (ví dụ giác bám) và xâm nhiễm (vòi hút), phân hủy tế bào...Các ví dụ về yếu tố gây bệnh của một số nhóm tác nhân gây bệnh là:

- Đối với nấm: (1) Các gen/sản phẩm điều khiển hình thành cấu trúc xâm nhiễm. Vd gen tạo melanin trong vòi áp của nấm Pyricularia oryzae. Khi gen này bị phá hủy, nấm không thể tạo melanin dẫn tới vòi áp mất sức trương và nấm không thể xâm nhập gây bệnh. (2) Gen/độc tố đặc hiệu ký chủ (xem ví dụ độc tố chọn lọc ký chủ ở dưới).

- Đối với vi khuẩn .Gen/sản phẩm của hệ thống tiết. Ở vi khuẩn có 5 hệ thống tiết I, II, II, IV và V, trong đó hệ thống tiết loại III là quan trọng nhất với chức năng vận chuyển các protein cần cho sự tương tác vi khuẩn – ký chủ từ tế bào vi khuẩn vào tế bào ký chủ. Ở vi khuẩn, các gen hrp mã hóa cho các protein cấu tạo nên hệ thống tiết loại III. Nếu các gen này bị mất chức năng, vi khuẩn sẽ mất khả năng gây bệnh.

- Đối với virus. Virus nói chung mã hóa rất ít gen liên quan chủ yếu đến tái sinh, cấu trúc phân tử, di chuyển (nhân-tế bào chất; tế bào – tế bào; hệ thống) và lan truyền qua vector. Một trong các gen liên quan đến tính gây bệnh là gen vỏ protein (CP gen). Gen CP của nhiều virus thường đa chức năng (ví dụ vừa là gen cấu trúc, vừa qui định khả năng lan truyền qua vector, vừa qui định khả năng lan truyền...). Do vậy nếu gen CP bị mất chức năng, virus sẽ mất tính gây bệnh.

* Tính độc (virulence/virulent): là mức độ của tính gây bệnh. Đây là khái niệm số lượng có nghĩa một tác nhân có tính gây bệnh với mức độ độc khác nhau.

* Các yếu tố độc (virulence factors): là các chất hình thành bởi tác nhân gây bệnh qui định tính độc. Sự có mặt của yếu tố độc không cần cho khả năng gây bệnh của cây nhưng ảnh hưởng đến mức độ gây bệnh (hay biểu hiện triệu chứng của bệnh). Một ví dụ về yếu tố độc là các độc tố không đặc hiệu ký chủ của nấm và vi khuẩn (xem phần dưới)

Câu 4. Phân loại tác nhân gây bệnh theo tính ký sinh

Dựa theo mức độ ký sinh trên cây, người ta chia các nhóm tác nhân gây bệnh thành các nhóm sau:

a. Ký sinh chuyên tính (obligate parasite): chỉ có khả năng sử dụng các vật chất hữu cơ sẵn có trong tế bào sống. VD nấm gỉ sắt, sương mai, phấn trắng hoặc virus. Các ký sinh chuyên tính, nhìn chung, không thể nuôi cấy được trên môi trường nhân tạo.

b. Bán ký sinh (hoại sinh có điều kiện = facultative saprophyte): sống ký sinh trên tế bào sống là chủ yếu nhưng vẫn có khả năng sống trên tàn dư , mô suy nhược hoặc đã chết. Một số loài nấm túi

c. Bán hoại sinh (ký sinh có điều kiện = facultative parasite): chủ yếu sống trên tế bào suy nhược, đã chết, trên tàn dư cây trồng, trên đất, trên hạt, quả, nhưng có thể ký sinh trên tế bào sống. Vd. nấm mốc, nấm Botrytis.

d. Hoại sinh (saprophyte): chỉ có thể sống ở các tế bào cây đã chết, tàn dư, đất. Các loại này ý nghĩa lớn trong phân giải vật chất hữu cơ trong đất trồng. Một số là những  vi sinh vật đối kháng, có thể được sử dụng trong việc phòng ngừa bệnh cây (biện pháp sinh học).

* Tiến hóa về tính gây bệnh của nấm

Giả thiết tiến hóa về tính gây bệnh của nấm cho rằng sự tiến hóaxảy ra theo chiều từ hình thức hoại sinh lên ký sinh chuyên tính. Sự tiến hóa này bắt đầu bằng việc lợi dụng cơ hội tiếp xúc giữa nấm và (i) bề mặt cây ký chủ hoặc (ii) khoảng gian bào mà nấm đã xâm nhập vào thông qua khí khổng hoặc tổn thương cơ giới. Sự tương tác giữa cây và nấm dẫn tới sự tiến hóa về tính gây bệnh có thể đã trải qua 4 giai đoan sau:

- Đầu tiên nấm chỉ có thể sống hoại sinh trên vật liệu hữu cơ chết và không thể gây bệnh cho cây.

- Nấm hoại sinh trở thành ký sinh cơ hội. Nấm có thể xâm nhập vào cây và có thể sống được, đặc biệt trên các mô suy yếu do già cỗi hoặc do street bởi điều kiện bất lợi. Trong giai đoạn này, chúng chỉ có tính độc thấp. Như một qui luật, sự xâm nhập xảy ra chủ yếu qua các tổn thương ngẫu nhiên trên bề mặt cây. Khi tiến hóa hơn, chúng có thể xâm nhập qua lỗ mở hoặc thậm chí trực tiếp bằng vòi áp (appressorium). Các nấm cơ hội này tiết enzyme giết chết tế bào ký chủ và phân hủy mô chết hoại  để hấp thụ dinh dưỡng. Các tác nhân gây bệnh có ít tính đặc hiệu ký chủ và cây phòng thủ chống lại sự tấn công này nhờ tính kháng cơ bản vốn đã bị giảm sút trên các mô suy yếu. Các ví dụ đối với nấm ký sinh cơ hội là Helminthosporium (hiện nay tách thành Bipolaris, Exerohilum và Dreschlera), Alternaria, Fusarium và Botrytis.

- Nấm vẫn thuộc nhóm hoại dưỡng nhưng đã tiến hóa theo hướng hình thành các cấu trúc xâm nhiễm đặc biệt, tính đặc hiệu ký chủ và các cơ chế khắc phục tính kháng của cây. Nhiều loài tạo ra các enzyme như pectinase, cutinase, protease và các độc tố. Tính độc của nấm thay đổi theo hoạt tính của độc tố, một số thuộc nhóm đặc hiệu ký chủ. Một sô nấm thuộc nhóm tiến hóa này là Cercospora, Bipolaris, Exerohilum và Dreschlera), Alternaria, Fusarium.

- Nấm tiến hóa thành nhóm sinh dưỡng. Một số nấm sinh dưỡng có thể nuôi cấy được trên môi trường nhân tạo thích hợp (Vd Pyricularia oryzae) nhưng một số khác là ký sinh chuyên tính bắt buộc như nấm gỉ sắt, phấn trắng, Plasmopara viticola (sương mai nho).

Cần chú ý các dạng chuyển tiếp chẳng hạn Phytophthora hoặc Peronospora: giai đoan xâm nhiễm đầu tiên là biotrophe nhưng sau đó chuyển sang pha necrotrphe.

Câu 5. Phân loại tác nhân gây bệnh theo phương thức sử dụng nguồn dinh dưỡng

Theo phương thức sử dụng nguồn dinh dương, tác nhân gây bệnh có thể được chia thành 3 nhóm:

a. Nhóm sinh dưỡng (biotroph): sử dụng nguồn thức ăn từ mô ký chủ sống. Các ví dụ điển hình là nấm sương mai (Phytophthora parasitica), gỉ sắt và và phấn trắng (Erysiphe cichoracearum). Nhóm sinh dưỡng, nhìn chung có phổ ký chủ hẹp, và không giết chết tế bào ký chủ ngay sau khi xâm nhiễm; mà thay vào đó, chúng để tế bào sống càng lâu càng tốt vì chúng phụ thuộc vào quá trình trao đổi chất nguyên vẹn của tế bào ký chủ để thực hiện quá trình dinh dưỡng và sinh sản. Điều này tạo cơ hội cho ký chủ có thể thiết lập được các phản ứng phòng thủ liên quan tới gen kháng. Đối với nấm thuộc nhóm sinh dưỡng, phương thức hấp thụ dinh dưỡng thường được thực hiện nhờ vòi hút (haustorium). Mô bị chết hoại hình thành chỉ sau khi nấm đã hoàn thành quá trình sinh sản.

b. Nhóm hoại dưỡng (necrotroph): sử dụng nguồn thức ăn từ mô chết hoặc đang chết. Các ví dụ điển hình là nấm Botrytis cinerea, Alternaria brassicicola, Rhizoctonia solani. Nhóm hoại dưỡng, nhìn chung có phổ ký chủ rộng hơn nhiều và ngay sau khi xâm nhiễm, chúng ngay lập tức giết chết tế bào ký chủ rất sớm và tạo một loạt các độc tố mà chúng dường như thúc đẩy tế bào chết. Vì tế bào ký chủ bị chết rất sớm nên nhìn chung tế bào không đủ thời gian để thiết lập các phản ứng phòng thủ thông qua gen kháng. Tuy nhiên các mô xung quanh vết chết hoại có thể tạo được phản ứng kháng nhờ các chất khuyếch tán ra từ vết bệnh.

c. Bán sinh dưỡng (semi-biotroph). Một số vi sinh vật có kiểu sinh dưỡng hỗn hợp, ví dụ Pseudomonas syringae. P. syringae có lúc được xem như thuộc nhóm sinh dưỡng, có lúc lại được xem như thuộc nhóm hoại dưỡng. Vi khuẩn xâm nhập vào cây qua tổn thương cơ giới hoặc khí khổng. Trong giai đoạn đầu của sự nhiễm bệnh, vi khuẩn không giết chết tế bào ký chủ nhưng về sau vi khuẩn sẽ giết chết tế bào.

Đối với nhóm biotroph, phản ứng siêu nhậy sẽ cô lập sự phát triển của tác nhân gây bệnh và là biểu hiện của tính kháng. Trái lại, phản ứng này dường như thuận lợi cho sự phát triển của tác nhân gây bệnh nhóm necrotroph. Như vậy, dường như cơ chế kháng (dựa vào gen kháng R và phản ứng siêu nhậy) là khác nhau giữa 2 nhóm. Kết luận này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trên cây Arabidopsis (một cây mô hình cho khoa học thực vật), trong đó nhóm biotroph có phản ứng phòng thủ dựa vào đường hướng SA (salisilic acid) và nhóm necrotroph có phản ứng phòng thủ dựa vào đường hướng JA (jasmonic acid) và ET (ethylene) vì:

- Đột biến nr1 hoặc cây chuyển gen NahG (cả hai đều khóa đường hướng dẫn truyền tín hiệu SA) dẫn tới mất tính kháng đối với nấm biotroph Phytophthora parsitica nhưng không ảnh hưởng tới nấm necrotroph  Alternaria brassicicola.

- Trái lại, đột biến coi1 (khóa đường hướng dẫn truyền JA) làm giảm mạnh tính kháng đối với nấm necrrotroph A.brassicicola nhưng không ảnh hưởng đến tính kháng đối với nấm biotroph P. parsitica.

Câu 6. Phòng thủ thụ động. (Câu 7 + Câu 8)

Câu 7. Phòng thủ nhờ rào cản vật lý có sẵn.

Nhìn chung phòng tuyết đàu tiên là bề mặt cây ký chủ, nơi tác nhân gây bệnh tiếp xuacs và xâm nhập. Các đặc điểm cấu trúc bề mặt ảnh hưởng tới sự tiếp xúc và xâm nhập của tác nhân gây bệnh bao gồm:

- Lớp sáp: Tạo ra bề mặt ghép nước, do đó ngăn cản sự hình thành màng nước cần cho bào tử nấm tiếp xúc, nảy mầm và vi khuẩn nhân lên. Mật độ long lá dày cũng có ảnh hưởng tương tự và cũng có thể làm giảm sự nhiễm bệnh.

- Tầng cutin: có khả năng ngăn cản các tác nhân gây bệnh có kiểu xâm nhập trực tiếp. Tuy nhiên, độ dày tầng cutin ko luôn luôn quan hệ tỉ lệ thuận với tính kháng.

- Lớp tế bào biểu bì: Độ dày và độ cứng của vách tế bào biểu bì dường như là 1 yếu tố quan trọng đối với tính kháng của 1 vài tổ hợp ký sinh-ký chủ. Vách dày và cứng của tế bào biểu bì có thể ngăn cản sự xâm nhập trực tiếp của tác nhân gây bệnh. Cây có đặc điểm này thường biểu hiện tính kháng, nhưng trong trường hợp tác nhân gây bệnh được đưa vào các mô bên dưới nhờ tổn thương cơ học thì tính kháng này ko được biểu hiện.

- Đặc điểm khí khổng: Một vài loài nấm và vi khuẩn chỉ có khả năng xâm nhập qua khí khổng, mặc dù phần lớn chúng có khả năng xâm nhập qua khí khổng đóng, nhưng đối với 1 vài loài như nấm gỉ sắt than lúa mỳ chỉ có khả năng xâm nhập qua khi khổng mở. Chính vì vậy 1 số giống lúa mỳ có khí khổng mnowr muộn trong ngày là kháng bệnh vì ống mầm của bào tử nấm (hình thành nhờ sương đêm) sẽ bị khô trước khi khí khổng mở. Nhoài ra, khí khổng với cấu tạo lỗ mở hẹp cũng có khả năng ngăn cản sự xâm nhập của vi khuẩn.

- Tế bào bên trong: Vách tế bào của mô đang bị xâm nhập thường tahy đổi độ dày và độ cứng, đôi khi cũng ức chế sự phát triển cả bênh. Sự có mặt của nhiều tế bào cương mô trong than của nhiều loại ngũ cốc có thể hạn chế sự phát triển của 1 số bệnh như gỉ sắt hại than. Ngoài ra, các tế bào xylem, bó bẹ (bundle sheat), cương mô của gân lá cũng giới hạn sự phát triển của 1 số bệnh đốm lá do nấm, vi khuẩn, 1 số loại tuyến trùng và tạo ra các vết bệnh ở góc cạnh. Tế bào xylem dường như liên quan trực tiếp hơn đến mức độ kháng hay mẫn cảm của các loại bệnh hại mạch dẫn. VD đường kính tế bào, tỉ lệ tế bào mạch xylem có kích thước lớn có mối tương quan thuận với độ mẫn cảm của cây du (elm) do nấm Ophiostoma novo-ulmi.

Câu 8. Phòng thủ nhờ các chất hóa học có sẵn:

Mặc dù rào cản vật lý có khả năng tạo ra 1 số mức độ phòng thủ nhưng nhìn chung, sự tấn công của tác nhân gây bệnh ko phụ thuộc nhiều vào rào cản này. Thực tế là nhiều tác nhân gây bệnh ko thể xâm nhập mặc dù ko có trở ngại cấu trúc của ký chủ. Phòng thủ hóa học chắc chắn đóng vai trò quan trọng hơn trong cơ chế phòng thủ bị động của cây. Một số hợp chất hóa học có sẵn và phổ biến bao gồm: Phenilics, Terpenoids, Alkaloids, Lectins và Polypeptides.

- Các chất ức chế được cây tiết ra bên ngoài: Cây có thể tiết ra 1 số hợp chất có tính độc đối với nấm bệnh. VD lá cà chua và củ cải đường tiết ra 1 số chất kháng nấm, ức chế sự nảm mầm bào tử nấm Botrytis và Cercospora, củ hành tây vỏ trắng bị nhiễm bệnh thán thư còn củ có vỏ đỏ ko bị nhiễm do củ vỏ đỏ có khange năng tạo ra các hợp chất phenilics có khả năng ức chế sự nảy mầm của nấm. Phun cây hướng dương bằng acibenzola-S-methyl (ASM hay BTH) có thể chống bệnh gỉ sắt do ASM có khả năng kích thích cây tiết ra coumarin và các hợp chất phenolics ngăn cản sự nảy mầm và hình thành giác bám của bào tử nấm.

- Các chất ức chế có sẵn trong tế bào cây: Một số hợp chất như tannin, phenolic và các hợp chất giống acid béo có sẵn ở nồng độ cao trong tế bào lá non, quả nogn hoặc hạt có khả năng chống 1 số loại nấm nào đó, chẳng hạn như Botrytis. Nhiều hợp chất tương tự có khả năng ức chế hoạt động của các enzyme thủy phân, kể cacr enzyme phân hủy pectin của tác nhân gây bệnh. Khi mô non trỏ nên già, nồng độ các chất ức chế này giảm nên tính kháng cũng giảm theo.

- Catechin (có nhiều trong lá dâu tây) có khả năng ức chế sự hình thành để xâm nhiễm của bào tử nấm Alternaria alternate. Nhiều hợp chất khác chẳng hạn như saponin ức chế các nấm thiếu enzyme saponinase paahn hủy saponin. Ngoài ra, ở 1 số cây còn có 1 số chất, mà có bản chất là các phân tử protein có trọng lượng phân tử thấp gọi là phytocystatin ức chế các enzyme proteinase nhóm cystein có trong hệ tiêu hóa của tuyết trùng và cũng do 1 số nấm tiết ra. Một nhóm hợp chất nữa gọi là lectin-là các protein liên kết đặc hiệu với đường. Lectin có nhiều trong hạt của nhiều loại cây mà có khả năng dung tan hoặc ức chế sinh trưởng của nhiều loại nấm.

Câu 9. Phòng thủ chủ động (Câu 10 + Câu 11)

Câu 10. Phòng thủ chủ động nhờ hình thành cấu trúc bảo vệ của cây?

Cây phản ứng lại sự tấn công của tác nhân gây bệnh bằng cách hình thành 4 loại cấu trúc phòng thủ đặc biệt:

- Cấu trúc hình thành liên quan đến tế bào chất của tế bào bị tấn công và được gọi là phản ứng phòng thủ tế bào chất: trong 1 vài trường hợp đối với các tác nhân ký sinh yếu, chẳng hạn 1 số chủng nấm Armillaria gây bệnh cây thân gỗ, thì tế bào chất của tế bào ký chủ bao quanh cụm sợi nấm, nhân bị kéo căng và vỡ làm đôi. Trong trường hợp, tế bào chất của tế bào ký chủ trở nên đậm đặc và keets hạt, cuối cùng sợi nấm bị phân hủy.

- Cấu trúc liên quan đến vách tế bào bị xâm nhập được gọi alf: Cấu trúc phòng thủ vách tế bào: Vách tế bào có thể biến đổi về hình thái để phản ứng lại sự xâm nhiễm của tác nhân gây bệnh, mặc dù kiểu phản ứng này tương đối kém hiệu quả. Trong đó có 4 loại biến đổi chính:

+ Lớp ngoài của vách tế bào nhu mô đang tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh sẽ phồng lên và tạo ra các vật liệu dạng sợi, vô định hình; các vật liệu này sẽ bao quanh và ngăn cản sự nhân lên của vi khuẩn.

+ Vách tế bào hóa dày nhờ 1 số chất có bản chất cellulose; cấu trúc này thường liên kết với các hợp chất phenolic và ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân gây bệnh.

+ Vách tế bào bị lignin hóa nhằm tăng cường khả năng chống lại sự xâm nhập của nấm tạo vòi áp; ngoài ra, sự lignin hóa cũng kháng nước do đó làm giảm hoạt tính của các enzyme phân hủy vách tế bào.

+ Hình thành các núm cấu tạo bởi callose. Các núm này hình thành vài phút sau khi tế bào bị tổn thương và khoảng 2-3 giờ sau khi lây nhiễm tác nhân gây bệnh. Mạc dù chứng năng chính của núm callose là sữa chữa các toont hương vách tế bào, thì một trong số trường hợp núm cũng có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của tác nhân gây bệnh. Trong 1 sô trường hợp các hợp chất callose bao quanh đỉnh sợi nấm xâm nhập, liên kết với các hợp chất phenolic và hình thành 1 ống bao quanh sợi nấm.

- Cấu trúc liên quan đến mô cây phía trước tác nhân gây bệnh 9saau hơn về phía cây) và được gọi là cấu trúc phòng thủ mô:

+ Hình thành lớp bần(cork layer): Sự xâm nhiễm của nấm, vi khuẩn, một số virus và tuyến trùng thường kích thích sự hình thành các lớp bần phía trước điểm xâm nhiễm. Bần là mô vỏ (than, rễ) cấu tạo chủ yếu bởi suberin. Các lớp bần ngăn cản tác nhân gây bệnh phat triển xa hơn, đồng thời ngăn cản sự vận chuyển nước và dinh dưỡng từ phần mô khỏe và phần mô bị nhiễm bệnh. Mô bị chết hoại cùng với tác nhân bệnh, bị giới hạn bởi các lớp bần, có thể vẫn ở nguyên vị trí và tạo ra các vết bệnh kiểu vết đốm àm hình dạng, mầu sắc và kích thước phụ thuộc vào tổ hợp ký sinh-ký chủ. Đối với 1 số bệnh, phần mô chết hoại có thể bị mô khỏe phía dưới đẩy lên tạo thành các vết ghẻ hoặc vết vảy, và do đó loại bỏ hoàn toàn tác nhân gây bệnh.

+ Hình thành tầng rời (abscission layer): phiến giữa của 2 lớp tế bào bao xung quanh vết bệnh tách khỏi nhau tạo thành 1 lớp trống gọi là tầng rời. Sự hình thành tầng rời sẽ cô lập phần mô bệnh và thông thường, mô bệnh sẽ tách khỏi mô khỏe tạo ra các lỗ thủng. Sự hình thành tầng rời rất hay bắt gặp trên các lá non đang phát triển của cây quả hạch.

+ Hình thành tylose: Tylose hình thành trong mạch xylem của hầu hết cây bị stress hoặc bị tác nhân gây bệnh hại mạch dẫn tấn công. Tylose là sự sinh trưởng quá mức của protoplasm của tế bào nhu mô bao quanh tế bào xylem và tế bào nhu mô trong mạch xylem. Tylose có vách bằng cellulose và do kích thước cũng như số lượng nhiều của nó trong mạch xylem dẫn tới bịt kín mạch xylem ngăn ko cho tác nhân gây bệnh phát triển trực tiếp. Ở 1 số giống kháng, tylose hình thành rất nhiều và nhanh ngay phía trước đường tiến của tác nhân gây bệnh trong rễ non và do đó ngăn cản ko cho tác nhân gây bệnh phát triển.

+ Hình thành gôm: Nhiều loại cây, đặc biệt là các cây  quả hạch, hình thành gôm ở xung quanh vị trí xâm nhiễm và tạo ra 1 rào cản ko thể vượt qua đối với các tác nhân gây bệnh.

Câu 11. Phòng thủ chủ động sinh hóa của cây?

* Phytoalexin:

- Khái niệm: Phytoalexin là các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp, có tính kháng vi sinh vật và được tạo ra bởi các cây do hậu quả của sự nhiễm bệnh hoặc các stress sinh học.

- Đăc điểm: Phytoalexin được tạo ra trên các tế bào khỏe xung quanh, nhằm phản ứng với các chất khuếch tán từ các tế bào bị xâm nhiễm hoặc tổn thương. Sự hình thành và tích lũy phytoalexin manbg tính cục bộ (có ý nghĩa phytoalexoin ko lưu dẫn xa khỏi vị trí xâm nhiễm hoặc tổn thương) và xảy ra khá nhanh (khoảng vài giờ tới tối đa 2 ngày sau khi lây nhiểm).

- Các nguồn kich thích hình thành phytoalexin: Các chất kích thích hình thành phytoalexin được gọi là các elicitor. Số lượng và nguồn gốc elicitor rất đang dạng. Nấm, vi khuẩn, virus, tuyến trùng (đặc biệt là nấm) là các tác nhân gây bệnh được biết là tạo ra các elicitor cảm ứng hình thành phytoalexin. Phần lớn các chất elicitor là các hợp chất cao phân tử như các chất cấu tạo vách tế bào nấm. Phần lớn các elicitor là ko đặc hiệu. Mặc dù phần lớn các elicitor có nguồn gốc từ tác nhân gây bậnh thì trong 1 số trường hợp các hợp chất này lại có nguồn gốc từ tế bào cây.

- Phytoalexin hình thành và tích lũy trên mô của giống kháng và giống nhiễm. Khi Phytoalexin tích lũy tới 1 nồng độ nào đó sẽ ức chế sự phát triểncủa v sinh vật (thường là nấm). Các loài/chủng nấm có tính gây bệnh có tính bệnh có xu hướng kích thích hình thành Phytoalexin với nồng độ thấp hơn nhiều so với các loài/ chủng ko có tính gây bệnh. Ngoài ra, các loài/chủng nấm ko có tính gây bệnh cũng dường như kém mẫn cảm với tính độc của Phytoalexin hơn so với các loài/chủng nấm có tính gây bệnh.

- Phytoalexin rất đa dạng về số lượng, cáu trúc. Khoảng 350 chất có tính chất giống Phytoalexin đã được phát hiện từ khoảng 30 họ thực vật, trong đó có khoảng 150 chất được phân lập trên cây họ đậu (Leguminosae). Phần lớn Phytoalexin được phân lập trên cây 2 lá mầm, 1 số được phân lập trên cây 1 lá mầm. Cấu trúc hóa học của Phytoalexin được phân lập từ 1 họ cây thường khá giống nhau. Các Phytoalexin thuộc nhóm phenylpropanoid phổ biến trong nhiều họ thực vật như Leguminosae, Solanaceae, Convolvulaceae, Umbelliferae và Gramineae; các Phytoalexin thuộc nhóm isoflavonoid phổ biến trong họ Leguminosae; các Phytoalexin thuộc nhóm sesquiterpenoid phổ biến trong họ Solanaceae.

* Các hợp chất phenolic:

- Các hợp chất phenolic đơn giản: Một số hợp chat phenolic phổ biến thường hình thành và tích lũy với tốc độ nhanh hơn trên cây bị bệnh, đặc bieetjtreen các giống kháng. Một số các hợp chất phenolic phổ biến là chlorogenic acid, caffeic acid, ferulic acid. VD quả đào xanh và quả đào trên giống kháng hình thành nhiều chlorogenic acid khi bị nhiễm nấm Monilinia fructicola. Hợp chất phenolic này ngoài gây độc trực tiếp đối với nấm thì quan trọng hơn còn ức chế các enzyme của nấm dung để phân hủy mô ký chủ.

- Các hợp chất phenolic độc hình thành từ các hợp chất phenolic ko độc: Nhiều cây chứa các chất glycoside liên kết với các phân tử phenolic. Ở trạng thái liên kết, các hợp chất này ko độc. Một số loại nấm và vi khuẩn có thể hình thành hoặc kích thích mô cây hình thành các enzyme glycosidae thủy phân các hợp chất trên và giải phóng các hợp chất phenolic độc.

- Vai trò của các enzyme oxy hóa các hợp chất phenolic: Nhiều hợp chất phenol trong cây có độc tính thấp đối với tác nhân gây bệnh. Trong nhiều truowgf hợp, trong mô nhiễm bệnh của các giống kháng bệnh, hoạt tính của các enzyme oxy hóa phenol nhìn chung được tăng cường. Các enzyme này sẽ oxy hóa các hợp chất phenolic thành các hợp chất quinine có tính độc mạnh hơn. Một cơ chế khác: Trong quả xanh thường chứa cá dien, có tính độc cáo đối với tác nhân gây bệnh. Khi quả chin, lượng lipoxygenase cũng gia tăng dẫn tới các dien bị bẻ gẫy, làm mất tính kháng của quả chin. Ở 1 số loại quả, elicitor từ nấm ko gây bệnh đã kích thích hình thành 1 hợp chất phenolic gọi là epicatechin. Epicatechin ức chế enzyme lipoxygenase dẫ tới luownhj dien ko bị giảm và quả chin vẫn có thể kháng được sự xâm nhiễm của nấm.

* PR-protein (pathogenesis related-protein):

- Định nghĩa: protein liên quan đến sự gây bệnh (PR protein) là các protein được cây tiết ra do sự gây bện bởi các tác nhân gây bệnh chủ yếu thuộc nhóm nấm, vi khuẩn, virus, tuyến trùng. Ngoài ra, sự tấn công của côn trùng cũng thích tạo ra PR protein. Hiện có khoảng 17 nhóm PR protein khác nhau, được ký hiệu từ PR1 đến PR17 (theo thiuws tự được phát hiện). Nhiều nhóm có hoạt tính kháng nấm.

- PR-1: Là nhóm protein có số lượng nhiều nhất, thường hình thành trong cây với hàm lượng rất cao sau khi bị nhiễm bệnh (có thể đạt tới 1-2% tổng lượng protein lá). Protein của nhóm này đã được phát hiện thấy trên tất cả các loại cây được kiểm tra. Các protein chức năng tương tự PR-1 cũng được phát hiện thấy ở nhiều sinh vật khác nhau như nấm, côn trùng, động vật có sương sống (kể cả con người). Mặc dù chức năng sinh học và cơ chế hoạt động của nhóm này chưa rõ nhưng các PR-1 có hoạt tính kháng cả nấm invitro và invivo. Các  protein PR-1 có thể chia thành 2 nhóm hoặc kiềm hoặc acid. Trên thuốc lá, có ít nhất 16 protein kiềm hình thành khi cây bị nhiễm virus khảm thuốc lá Tobaco mosaic virus. Trên lúa có 23 gen mã hóa protein PR-1.

- PR-2: là nhóm protein có amwtj trong nhiều loại cây, động vật và vi sinh vật. Glucanase có thể chia thành 3 nhóm: Nhóm I là các glucanase có tính kiềm hình thành ở ko bào; nhóm II và III có tính acid và là các protein ngoại bào. Glucanase thuộc nhóm I có hoạt tính kháng nấm cả invitro. Glucanase thuộc nhóm II và III chỉ có hoạt tính kháng nấm nếu phối hợp với các glucanase nhóm I hoặc chitinase. Đặc tính kháng nấm của glucanase là khả năng phân hủy vách tế bào của nấm (cấu tạo bởi glucan).

- PR-3, PR-8 và PR-11. Các chitinase là loại protein chiếm số lượng lớn thứ 2 trong các PR protein. Các chitinase thực vật được chia làm 7 lớp (I, II,…VI) căn cứ vào cấu trúc protein, tính đặc hiệ cơ chất, cơ chế xúc tác và tính mẫn cảm với các chất ức chế. 7 lớp này lại được xếp vào 3 nhóm PR protein. Các chitinase có hoạt tính kháng nấm bằng các xúc tác cho phản ứng thủy phân để cắt liên kết β-1,4-glycoside của N-acetyl-D-glucosamine. Cần chú ý là phản ứng thủy phân này tạo ra các oligosaccharide có vai trò là elicitor cho các phản ứng phòng thủ khác.

- PR-4. Hoạt tính kháng nấm của các protein nhóm Pr-4 là do khả năng liên kết với chitin của vách tế bào nấm dẫn tới ức chế sinh trưởng của nấm. Loại PR-4 phổ biến nhất là legumin và vicilin. Vicilin đã được chứng minh có khả năng ức chế sinh trưởng và nảy mầm bào tử của nhiều loại nấm như Fusarium solani, F. oxysporum, Ustilago maydis,…Vicilin cũng được biết là có khả năng kháng cả côn trùng như 1 đậu.

- PR-5: Osmotin và thaimatin-like (TL) protein là các protein có tính kiềm và có mức tương đồng chuỗi aa đáng kể với thaumatin (một protein có vị ngọt, phân lập từ cây Thaumatococcus danielli). Osmotin và TL tương tác với màng tế bào nấm và hình thành các lỗ xuyên màng. Hai loại protein này cũng có hoạt tính 1,3-glucanase, liên kết với actin. Osmotin trên thuốc lá kích thích MAPK do đó phá vỡ 1 đường hướng dẫn truyền tín hiệu nhằm tăng cường tính ổn định của vách tế bào nấm. TL protein có mặt trong nhiều loài cây.

- PR-6 là họ các protein ức chế protease. Các protein PR-6 có thể ức chế protease nhóm aspartic, serine, cystein.

- PR-12 và PR-13. Defensin và thionin là các protein có trọng lượng phân tử nhỏ (~5 kD), kích thước khoảng 45-54 â. Các protein này là các protein hoạt động trên màng, pháhiện thấy ở tất cả các nhóm sinh vật và độc đối với nấm. Cơ chế gây độc đối với nấm của các loại protein này vẫn chưa rõ nhưng defensin đã được chứng tỏ là làm tăng vận chuyển ion K+ ra ngoài màng, tăng hấp thụ Ca2+ của nấm Neurospora crassa. Chất defensin Dm-AMP1 của cây thược dược có thể tương tác đặc hiệu với sphingolipid của nấm men Sacharomyces cerevisiae.

- PR-14 (protein vận chuyển lipid-LTP). Các LTP là các protein nhỏ, có tính kiềm. LTP vận chuyển phospholipid qua màng. Phân tử LTP có cấu hình gồm 1 xoang ghét nước chạy dọc phân tử. Phân tử LTP khi tương tác với màng tế bào nấm sẽ tự gắn xuyên qua màng tế bào và xoang ghét nước sẽ tạo ra các lỗ dò trên màng tế bào nấm và nấm sẽ chết. Ngoài ra, một LTP từ cây Arabidopsis đã được chứng minh có khả năng vận chuyển các phân tử từ tín hiệu trong phản ứng SAR.

Câu 12. Khái niệm sự chết tế bào được lập trình (PCD), apoptosis và phản ứng siêu nhạy (HR)?

* Sự chết tế bào được lập trình (PCD)

- PCD là quá trình tự chết của tế bào, có những biến đổi hình thái đặc trưng, diễn ra theo 1 trình tự nhát định, được điều khiển bởi di truyền, nhằm đạt được và duy trì trạng thái cân bằng trong quá trình phát triển và chống lại các stress môi trường và sự tấn công của tác nhân gây bệnh.

- PCD xuất hiện thường xuyên trong suốt đời sống thực vật, trong quá trình biệt hóa cơ quan, mô tế bào.

- Các VD:

+ Sự hình thành và phát triển hoa: hoa đực hình thành do PCD ở các tế bào vòi nhụy, noãn hình thành trước đó; và ngược lại, hoa cái hình thành do PCD ở các tế bòa nhị đực.

+ Các tế bào chop rễ bị chết do PCD trong quá trình phát triển; hoặc rễ bên hình thành mới tại vị trí có dinh dưỡng hoặc nước còn các rễ già ko chức năng sẽ chết do PCD.

+ Tầng aleuron sẽ chết do PCD sau khi phôi phát triển.

Hai dạng chính của PCD là tự thực bào và apoptosis. Ngoài ra, nahwmf chống lại sự tán công của tác nhân gây bệnh, thực vật còn phát triển 1 loại PCD nữa là phản ứng siêu nhạy.

* Apoptosis: là 1 dạng PCD và hiện  đang nhận được nhiều chú ý trong nghiên cứu y sinh và cả tính kháng bệnh ở thực vật. Apoptosis là 1 quá trình chết sinh lý nhằm loại bỏ có chịn lọc các tế bào ko mong muốn. Quá trình Apoptosis có 1 số đặc điểm sau: tế bào chất bị nhăn, mằng tế bào chất bị phồng, mất tiếp xúc giữa các tế bào, nDNA bị phân cắt tại các vị trí bên trong nhiễm sắc thể, tăng cường luồng ion Ca vào tế bào, hoạt hóa 1 số enzyme đặc biệt và giải phóng cytochrome c khỏi ty thể. Nghoài ra apoptosis liên quan đến đương hướng dẫn truyền tín hiệu dựa vào ceramide. Các ceramide là phân tử gắn trên màng.

Người đã phát hiện thấy 1 số độc tố nấm như fumonisinB và AAL toxin có khả năng ức chế các enzyme ceramidase dẫn tới hoạt hóa phản ứng apoptosis.

* Phản ứng siêu nhạy-HR

Một trong các dấu hiệu của tính kháng bệnh là phản ứng siêu nhạy. Phản ứng siêu nhạy (HR) được định nghĩa là sự chết nhanh chóng và cục bộ của tế bào thực vật tại vị trí nhiễm bệnh.

HR có thể được cảm ứng bởi nhiều nhóm tác nhân gây bệnh (nấm sinh dưỡng, vi khuẩn, virus và tuyến trùng). HR thường xuất hiện trong nhiều tính kháng: tính kháng phi ký chủ/ký chủ, tính kháng thong qua gen R, tính kháng đơn gen/đa gen…

HR là hậu quả của 1 dòng thác các phản ứng dẫn truyền tín hiệu và phòng thủ tại các tế bào bị xâm nhiễm hoặc lân cận dẫn tới hình thành các chất độc, đầu độc cả tế bào lẫn tác nhân gây bệnh. Ngoài ra, nếu tác nhân gây bệnh ko chết thì mô bị chết hoại cũng ngăn ko cho tác nhân gây bệnh lan truyền tiếp. Cần chú ý là, trong nhiều trường hợp, HR ko hình thành vết chết hoại có thể nhìn thấy bằng mắt thường vì HR xuất hiện chỉ ở tế bào nhiễm bệnh hoặc 1 vài tế bào xung quanh.

HR của tế bào ký chủ có 1 số đặc điểm khá khác biệt so với các dạng PCD khác, nhất là về biến đổi hình tahis của tế bào ký chủ. Nghieenc cứu phản ứng siêu nhạy giữa nấm Uromyces vigmae và đậu đũa: (i) nhân tế bào ký chủ di chuyển tới vị trí xâm nhiễm, dòng tế bào chất mất linh động, trở nên căng; (ii) tế bào chất ngừng chuyển động, các cơ quan tử chuyển động Brown, nhân hóa đậm đặc, tích lũy các thể hạt ở nhgoaij vi tế bào chất, nguyên sinh chất trở nên nhăn; và (iii) tế bào cất sụp đổ, tế bào chết. Các nghieenc ứu gần đây còn cho thấy trong phản ứng HR, các loại màng bị mất chức năng, tế bào hóa ko bào mạnh, phá hủy ko bào và hình thái ty thể bị biến đổi toàn diện. Ngoài ra 1 đặc điểm để phân biệt khác là tốc độ phản ứng. Nhìn chung, HR diễn ra rất nhanh: khi nghieenc ứu tổ hợp nấm Phytophthora infesstans trên khoai tây và sử dụng kính hiển vi video, người ta quan sát thấy tế bào ký chủ sụp đổ và chết sau 26 giây và nấm chết sau đó khoảng 20 giây; vết chết hoại có thể quan sát thấy bằng mắt sau nhiều giờ.

Việc phân biệt HR và các dạng PCD khác ko dễ dàng. Trong 1 số trường hợp, HR có biểu hiện biến đổi hình thái giống như apoptosis chẳng hạn như: khi nhiễm gỉ sắt Uromuces vignae trên giống đậu đũa kháng bệnh đã tạo ra phản ứng HR, trong đó nDNA của các tế bào chết hoại đã bị phân cắt thành thang DNA, một dấu hiệu của apoptosis. Hơn nữa các đường hướng nhận biết, dẫn truyền tín hiệu và các đặc trưng sinh hóa khá giống nhau giữa HR và apoptosis, chẳng hạn đều có sự liên quan đến dòng thác ion vào/ra tế bào, các lớp oxy hóa, nito hoạt hóa, các protein kinase...

Câu 13. Khái niệm gen đối gen, đặc điểm quan hệ gen-đối-gen: Đặc điểm của gen ko độc (gen Avr) của ký sinh. Định nghĩa gen Avr, đặc điểm gen Arv. Gen kháng R và protein R.

* Khái niệm:

Flor đã viết: đối với mỗi gen qui định tính kháng trong cây ký chủ có một gen tương ứng qui định tính gây bệnh trong ký sinh.

Vì mối quan hệ gen-đối-gen thường là quan hệ trội – trội trong khi đó “gen qui định tính gây bệnh” thường được hiểu là gen lăn nên định nghĩa trên của Flor dễ gây nhầm lẫn. Do vây, khái niệm gen-đối-gen của Flor đã được biến đổi một chút cho phù hợp với lý thuyết của ông như sau: “đối với mỗi gen qui định tính kháng trong cây ký chủ có một gen tương ứng qui định tính không độc trong ký sinh và 2 gen này tương tác đặc hiệu với nhau”.

Quan hệ gen-đối-gen cho tới nay đã được chứng minh là tồn tại trong rất nhiều loại bệnh do hầu hết các nhóm tác nhân gây bệnh (nấm, vi khuẩn, virus, tuyến trùng, mollicus...) gây ra.

Các gen cây ký chủ qui định tính kháng (chú ý không nhất thiết phải tuân theo quan hệ gen-for-gen) được gọi chung là gen R. Các gen ký sinh qui định tính không độc của ký sinh được gọi chung là gen Avr. Các ký hiệu R hoặc Avr sẽ được viết thường là r hoặc avr nếu trạng thái của gen là lăn. Các chữ số viết kèm theo (nếu có) cho biết sự tương ứng của các cặp gen. Ngoài qui định chung này, trên mỗi hệ ký sinh – ký chủ, người ta thường sử dụng các ký hiệu riêng.

* Đặc điểm quan hệ gen-đối-gen:

- Phần lớn quan hệ gen-đối-gen là quan hệ trội-trội có nghĩa đối với cây ký chủ, gen qui định tính kháng là gen trội (R) còn gen qui định tính mẫn cảm (thiếu tính kháng) là gen lặn (r); đối với ký sinh, gen qui định tính không độc (không có khả năng gây bệnh) là gen trội (Avr), còn gen qui định tính độc là gen lặn (avr).  Nói cách khác cả gen kháng của ký chủ và gen không độc của ký sinh đều phải được biểu hiện để tạo ra tính kháng.  

- Mỗi gen ký chủ thường nhận biết và tương tác với chỉ gen tương ứng của ký sinh (và ngược lại). Điều này dẫn tới nếu ký chủ có nhiều gen kháng/nhiễm và ký sinh có nhiều gen không độc/độc thì tính kháng chỉ có thể hình thành khi ít nhất có tương tác của một cặp gen tương ứng.

- Số lượng chủng (race) tối đa trong quần thể tác nhân gây bệnh =2n trong đó n là số gen kháng R trong quần thể ký chủ.

- Việc xác định kiểu hình kháng hay nhiễm hoàn toàn dễ dàng khi sử dụng bảng punnett. Khi xây dựng bảng punnett cần chú ý là kiểu gen của cây ký chủ là lưỡng bội còn kiểu gen của ký sinh sẽ hoặc đơn bội hoặc lưỡng bội tùy thuộc loại tác nhân gây bệnh. Ví dụ ký sinh có kiểu gen đơn bội là vi khuẩn, nhiều loại nấm túi (như nấm đạo ôn lúa Pyricularia oryzae); ký sinh có kiểu gen lưỡng bội là tuyến trùng, các loài nấm đảm (như nấm gỉ sắt, than đen...).

- Tính kháng của cây trồng tuân theo quan hệ gen-đối-gen được gọi là tính kháng gen-đối-gen. Tính kháng gen-đối-gen thường là tính kháng đặc hiệu ký chủ, tính kháng đơn gen, tính kháng gen chủ, tính kháng không bền vững.

- Hậu quả của một phản ứng kháng gen-đối-gen thường là phản ứng siêu nhạy/apoptosis.

* Đặc điểm của gen ko độc (gen Avr) của ký sinh:

Sự tồn tại của các Avr gen và sản phẩm của chúng là các Avr protein đã được chứng minh bằng thực nghiệm dựa trên các thí nghiệm của Flor từ những năm 1940. Cho tới nay, nhiều Avr gen đã được xác định từ nhiều nhóm tác nhân gây bệnh bao gồm nấm, vi khuẩn và virus.

Một số thuật ngữ liên quan hiện đang được sử dụng:

Effector (chất hiệu ứng): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh tác động lên tế bào ký chủ, nhờ đó tạo điều kiện cho sự nhiễm bệnh. Một effector được gọi là elicitor khi nó bị cây nhận biết và khởi động phản ứng phòng thủ.

Elicitor (chất kích hoạt): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh khởi động phản ứng phòng thủ dẫn tới tăng cường tính kháng và được cây nhận biết. Khi sự nhận biết được thực hiện nhờ protein R thì elicitor được xem là Avr protein.

* Định nghĩa gen Avr:

Gen Avr là các gen làm cho tác nhân gây bệnh trở thành không độc khi có mặt gen kháng R của cây ký chủ.  Khả năng này của gen Avr có được là do sản phẩm protein của nó cảnh báo tế bào cây ký chủ về sư tấn công của tác nhân gây bệnh và do đó khởi  động phản ứng phòng thủ dẫn tới phản ứng siêu nhạy/apoptosis. Như vậy có thể xem protein Avr là elicitor được cây nhận biết thông qua gen kháng R.

* Đặc điểm

Không giống như gen kháng R, nhìn chung, protein Avr chia sẻ ít đặc điểm chung với nhau.  Dưới đây là một số đại diện Avr gen/protein

Họ gen AvrBs3 của vi khuẩn Xanthomonas. Cho tới nay, khoảng 40 Avr gen của họ này đã được xác định từ nhiều loài Xanthomonas kể cả 1 gen Brg11 của vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Các ví dụ của các Avr gen thuộc họ này bao gồm:

X. campestris pv. vesicatoria

AvrBs3, AvrBs4

X. oryzae pv. oryzae

AvrXa5, AvrXa3, AvrXa7, AvrXa10, AvrXa27

X. oryzae pv. oryzicola

Avr/pth3, Avr/pth13, Avr/pth14

X. campestris pv. malvacearum

AvrP6, PthN

X. axonopodis pv. citri

Apl1, Apl2, Apl3, PthA, PthA1, PthA2, PthA3, PthA4, PthB

X. campestris pv. manihotis

PthB

Ralstonia solanacearum

Brg11

Các gen thuộc họ này mã hóa cho các protein chứa khoảng 13 - 23 các chuỗi lặp gồm 34 aa ở vùng trung tâm. Đầu C của các protein này chứa dấu hiệu nhập nhân (Nuclear Localization Signal – NLS) và một vùng hoạt hóa phiên mã (Activated Domain – AD). Cấu trúc này chứng tỏ (đã được chứng minh bằng thực nghiệm) các protein này hoạt động trong nhân và tương tác với quá trình phiên mã của tế bào ký chủ.

Gen AvrPto của vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato (gây bệnh đốm đen vi khuẩn cà chua). Gen này mã hóa protein AvrPto có trọng lượng phân tử thấp khoảng 18 kD và được hệ thống tiết loại 3 của vi khuẩn đưa và trong tế bào chất.

Các gen Avr của nấm. Có khá nhiều gen Avr của nấm đã được phân lập. Một số protein Avr là các protein giàu cystein như AvrCf2 của nấm Cladosporium fulvum; AvrP4; AvrP123 của nấm M. lini.  Một số protein Avr được nấm tiết ra ở gian bào (apoplasm) và tương tác với protein R của ký chủ ở bề mặt tế bào; vi dụ như các protein AvrCf2, vrCf4, AvrCf9 của nấm C. fulvum. Một số lại được nấm tiết trực tiếp vào tế bào chất qua vòi hút chẳng hạn như các protein kháng của nấm sương mai, phấn trắng, gỉ sắt.

Các gen Avr của virus. Đối với virus thực vật, các gen  Avr thường liên quan đến 1 protein chức năng của virus. Ví dụ điển hình là protein tái sinh (Replication protein) của Tobacco mosaic virus –TMV là gen không độc tương ứng với gen kháng N trong cây thuốc lá. Ngoài ra, các protein vỏ (Coat Protein – CP) của virus cũng là gen Avr phổ biến của virus.

Một câu hỏi cần đặt ra là tại sao các Avr gen/protein của tác nhân gây bệnh làm giảm khả năng tấn công (mất ưu thế thích nghi) của tác nhân gây bệnh lại vẫn tồn tại trong quần thể tác nhân gây bệnh. Câu trả lời là mặc dù các gen này có thể tương tác (trực tiếp hoặc gián tiếp) với gen kháng thì trong trường hợp không có gen kháng, các gen Avr này vẫn có một số chức năng có lợi cho tác nhân gây bệnh. Ví dụ trên cây cà chua thiếu gen kháng Pto thì  gen AvrPto sẽ tạo điều kiện cho sự gây bệnh của vi khuẩn bằng cách ức chế sự phòng thủ vách tế bào cây (thí nghiệm trên cây Arabidopsis). Các nghiên cứu đối với nấm Phytophthora infestans, Puccinia graminis cho thấy, ngay sau khi áp lực chọn lọc bởi gen kháng R của ký chủ bị mất thì các gen Avr tái xuất hiện.

* Gen kháng R và protein R:

Như đã biết, nhiều loại tác nhân gây bệnh có thể tiếp xúc với cây nhưng nhìn chung cây có thể kháng lại tốt với phần lớn tác nhân gây bệnh. Thậm chí tác nhân có thể tấn công và gây bệnh thì cây vẫn có thể biểu hiện tính kháng với các mức độ khác nhau. Cho tới nay, rất nhiều gen kháng R của cây đã được xác định. Các gen kháng này có thể qui định tính kháng thông qua quan hệ gen-đối-gen hoặc không. Sản phẩm của các gen này gọi là các protein kháng R

* Phân loại protein kháng R:  Hiện nay, các protein kháng R được chia thành 5 lớp dựa trên đặc điểm cấu trúc và vị trí hoạt động của chúng trong tế bào ký chủ. Các protein trong cùng lớp nhìn chung khá bảo thủ.

- Pto:

Lớp protein thứ nhất chỉ gồm 1 thành viên là Pto phân lập từ cà chua. Pto có 1 vùng có hoạt tính xúc tác kinase. Pto là gen kháng hoạt động trong tế bào chất. Pto là protein kháng chống vi khuẩn P. syringae pv. tomato mang gen AvrPto. Pto có hoạt tính kinase điều khiển dẫn truyền tín hiệu trong tế bào chất dẫn tới phản ứng siêu nhạy.

- CNL (CC-NB-LRR)

Lớp protein kháng thứ hai gồm một số lượng lớn protein có cấu trúc gồm (1) một vùng khóa kéo leucine (leucine-zipper – LZ) hoặc một chuỗi xoắn kép (coiled-coil – CC) ở đầu amin; (2) một vùng có khả năng liên kết nucleotide (nucleotide binding – NB) ở vùng trung tâm; và (3) một vùng lặp giàu leucine (leucine-rich repeats - LRR) phía đầu carboxyl. Các protein của lớp này hoạt động trong tế bào chất. Các ví dụ về protein lớp CNL trình bày ở Bảng 2.

- TNL (TIR-NB-LRR)

Lớp protein kháng thứ ba là lớp có số lượng lớn nhất và chỉ có ở cây 2 lá mầm. Về cấu trúc, lớp protein TNL tương tự lớp CNL nhưng thay vì chuỗi CC là một chuỗi TIR. Chuỗi TIR là một vùng protein tương đồng với receptor Toll (của ruồi dấm) và receptor Interleukin-1 (của người) (TIR = Toll/Interleukin-1 Receptor). Tương tự protein kháng lớp CNL, các protein của lớp TNL cũng hoạt động trong tế bào chất. Các ví dụ về protein lớp TNL trình bày ở Bảng 2.

Cả 2 lớp CNL và TNL còn được xếp vào chung một họ protein kháng gọi là họ NB-LRR. Số lượng gen kháng của họ này đươc xem là chiếm số lượng lớn nhất trong các họ protein (Ví dụ trên lúa có hơn 400 gen; Arabidopsis có 150 gen).

Đối với cả 2 lớp, đầu amin (chứa vùng CC hoặc TIR) chịu trách nhiệm tương tác với phân tử được bảo vệ - guardee (xem phần 1.5) hoặc với các phân tử phía hạ lưu của đường hướng dẫn truyền tính kháng. Phần trung tâm là vùng NBS có khả năng liên kết và thủy phân ATP và do đó chịu trách nhiệm khởi động đường hướng dẫn truyền tín hiệu. Ở đầu carboxyl, chuỗi LRR chịu trách nhiệm qui định tính đặc hiệu đối với elicitor mặc dù phần lớn là gián tiếp.

- Cf

Lớp protein kháng thứ tư là một số các protein Cf phân lập từ cà chua như Cf2, Cf4, Cf5, Cf9 qui định tính kháng với nấm Cladosporium fulvum mang các gen Avr tương ứng là AvrCf2, AvrCf4, AvrCf5, AvrCf9. Các protein này thiếu vùng NB; không có hoạt tính kinase. Các prtein nhóm này là các protein xuyên màng với vùng LRR nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào).

- Xa21

Lớp protein kháng thứ 5 chỉ có protein Xa21 phân lập từ lúa. Protein Xa21 là một protein xuyên màng, có một vùng LRR  nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào) và một vùng kinase nằm bên trong tế bào chất.

Một số protein R không thuộc 5 lớp trên gồm:

+ Hml là một enzyme khử độc và kháng nấm Cochlibolus trên ngô.

+ Mlo là một protein màng tế bào lúa miến (barley) mà các đột biến lặn của nó qui định tính kháng nấm phấn trắng và có lẽ điều khiển âm các phản ứng phòng thủ.

+ RPW8 là protein phân lập từ cây Arabidopsis qui định tính kháng nấm phấn trắng theo kiểu không đặc hiệu chủng. PRW8 cũng là một protein xuyên màng.

Câu 14. Tương tác giữa protein R và Avr (Câu 15+ Câu 16)

Câu 15. Tương tác trực tiếp-mô hình Elicitor-Receptor

Quan hệ gen-đối-gen lúc đầu đã được giả thiết là dựa trên tương tác trực tiếp giữa protein R và Avr protein. Sự tương tác này được gọi là mô hình Elicitor – Receptor, trong đó elicitor là các protein Avr đóng vai trò là chất kích hoạt còn receptor các protein kháng đóng vai trò là chất tiếp nhận. Phản ứng kháng hình thành chỉ khi có sự tương tác trực tiếp giữa elicitor và receptor. Hiện nay, sự tương tác trực tiếp giữa 2 thành phần này mới chỉ được chứng minh là đúng trên một số ít trường hợp, tất cả đều liên quan đến các protein kháng lớp TIR/CC-NBS-LRR. Dưới đây là các trường hợp có tương tác trực tiếp.

- Tương tác giữa protein AvrPi-ta (của nấm Pyricularia oryzae) và protein Pi-ta (lúa).

- Tương tác giữa AvrL567 (của nấm M. lini) và các protein L5, L6, L7 (họ các protein kháng thuộc locus L của cây lanh)

- Tương tác giữa AvrPopP2 (của vi khuẩn R. solanacearum) và protein RRS1 (của Arabidopsis).

Mô hình tương tác trực tiếp không thể giải thích được tại sao chỉ với một số gen kháng, cây trồng có thể nhận biết được một số lượng lớn các effector của tác nhân gây bệnh.

Câu 16. Tương tác gián tiếp-mô hình bảo vệ (Guard model)

Sự tương tác giữa gen kháng R và Avr để dẫn tới phản ứng kháng gần đây đã được chứng minh chủ yếu thực hiện theo cách gián tiếp gọi là “mô hình bảo vệ”. Theo mô hình này, protein kháng R của ký chủ sẽ liên kết và “bảo vệ” một protein A. Protein được bảo vệ (guardee) này sẽ tương tác với protein Avr của tác nhân gây bệnh và hoạt hóa protein R dẫn tới kích hoạt các phản ứng dẫn tới tính kháng. Thực sự protein kháng R của cây không phát hiện protein Avr mà phát hiện hoạt động của nó có nghĩa nếu protein Avr khi có mặt trong tế bào mà không hoạt động tức không tương tác, thường thông qua hoạt tính enzyme của nó đối với phân tử được bảo vệ, thì protein kháng R sẽ không phát hiện.

Mô hình bảo vệ giải thích được tại sao chỉ với một số gen kháng, cây trồng có thể nhận biết được một số lượng lớn các effector của tác nhân gây bệnh. Mô hình này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trên nhiều trường hợp. Ví dụ:

- AvrPphB của vi khuẩn P. syringae và protein kháng RPS5 của cây Arabidopsis. AvrPphB là một protease nhóm cystein.  Sau khi được vi khuẩn đưa vào trong tế bào cây, AvrPphB sẽ cắt một phân tử protein kinase của ký chủ là PBS1. Protein kháng RPS5 sẽ nhận biết được việc cắt này và khởi động phản ứng kháng.

- AvrRpm1 (hoặc AvrB) của vi khuẩn P. syringae và protein kháng RPM1 của cây Arabidopsis. Khi được đưa vào trong tế bào, AvrRpm1 (hoặc AvrB) sẽ  phosphoryl hóa một protein của ký chủ là RIN4. Protein kháng RPM1 giám sát hiện trạng của RIN4 và do đó nhận biết sự phosphoryl hóa của RIN4 và khởi động phản ứng phòng thủ.

Câu 18. Sự đa dạng trong quần thể tác nhân gây bệnh. Nấm, vi khuẩn, virus, các yếu tố điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh.

* Nấm - Sinh sản hữu tính

Nấm và vi sinh vật giống nấm gây bệnh cây được phân loại thành các ngành (Division) khác nhau trên cơ sở sinh sản hữu tính, ví dụ Ngành Nấm Trứng (Oomycota) (ví dụ như Phytophthora) sinh sản hữu tính tạo bào tử trứng (oospore); Ngành Nấm Đảm (Basidiomycota) (ví dụ như các loại nấm gỉ sắt) sinh sản hữu tính tạo bào tử đảm (basidiospore); Ngành Nấm Túi (Ascomycota) (ví dụ như nấm đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae) sinh sản hữu tính tạo bào tử túi (ascospore).

Trong quá trình sinh sản hữu tính, nấm có thể trao đổi vật liệu di truyền thông qua tái tổ hợp dẫn tới kiểu hình (kể cả các tính trạng kháng bệnh) của con cháu khác với bố mẹ.

Nấm sinh sản hữu tính nhờ sự tương hợp hữu tính (sexual compatibility) và được điều khiển bởi các gen qui định kiểu ghép cặp (mating type) khác nhau. Nếu sự sinh sản hữu tính được thực hiện từ 2 cá thể khác nhau thì nấm được gọi là loài dị tản (heterothallic). Ví dụ nấm Phytophthora infestans là một loài dị tản, có 2 kiểu ghép cặp ký hiệu là A1 và A2. Chỉ khi 2 mẫu nấm P. infestans độc lập (dị tản) có kiểu ghép cặp khác nhau mới có thể sinh sản hữu tính. Nếu sự sinh sản hữu tính được thực hiện từ cùng một cá thể (tự thụ) thì nấm được gọi là loài đồng tản (homothallic). Chú ý sinh sản hữu tính đồng tản không được điều khiển bởi gen qui định kiểu ghép cặp và cũng không tạo ra sự đa dạng di truyền.

 Sự giao phối chéo (intersterility) khác loài chỉ xảy ra đối với nấm đảm và cũng chỉ xảy ra giữa các loài khá đồng nhất về di truyền. Sinh sản cận tính (parasexuality), thường được định nghĩa chính thức là một hình thức sinh sản hữu tính trong loài,  nhưng cũng có thể xảy ra giữa các loài có quan hệ gần gũi như đã được chứng minh đối với một số loài nấm trứng như Phytophthora. Chú ý trong sinh sản cận tính khác loài, có sự trao đổi và tái tổ hợp vật liệu di truyền nhưng không có phân bào giảm nhiễm (meiosis). Nhiều loài nấm Phytophthora thường phát hiện thấy cùng gây bệnh trên một cây  và việc giao phối cận tính có thể xảy ra, nhưng con lai thường bất dục. vi dụ chỉ khoảng 4-5% con lai giữa P. palmivora và  P. cinnamomi có khả năng sinh bào tử trứng.

Sư trao đổi vật liệu di truyền thông qua sinh sản có nghĩa từ thế hệ bố mẹ sang thế hệ con cháu được gọi là chuyển gen theo chiều dọc (vertical gene transfer).

*  Nấm – chuyển gen theo chiều ngang

Cho tới nay, nhiều bằng chứng cho thấy nấm có khả năng chuyển vật liệu di truyền không thông qua sinh sản giữa các cá thể trong loài và khác loài. Sự di chuyển vật liệu di truyền theo kiểu này được gọi là chuyển gen theo chiều ngang (horizontal gene transfer). Sự chuyển gen theo chiều ngang có thể thực hiện thông qua plasmid (vd plasmid của nấm Neurospora; chú ý plasmid của nấm thường là dạng sợi thẳng, kích thước khoảng 2-10 kb); virus (ví dụ virus của nấm Rhizoctonia solani)...

* Nấm – Đột biến

Đối với nấm, ngoại trừ nấm đảm, thì giai đoạn vô tính và sinh sản vô tính chiếm ưu thế trong chu kỳ phát triển. Nhiều loài thậm chí giai đoạn hữu tính không xảy ra trong tự nhiên (ví dụ như đối với nấm đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae). Như vậy đột biến là một cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng của nấm.

* Vi khuẩn – sinh sản hữu tính

Đối với vi khuẩn, có ít nhất 3 loại sinh sản giống như sinh sản hữu tính tồn tại trong quần thể:

- Biến nạp (transformation) :  là hình thức chuyển gen trong đó vi khuẩn nhận hấp thụ qua vách tế bào vật liệu di truyền được giải phóng ra bởi vi khuẩn cho. Sau khi biến nạp, vật liệu di truyền của tế bào chi sẽ được tổng hợp vào bộ gen của tế bào vi khuẩn nhận.

- Giao nạp (conjugation): là hình thức chuyển gen giữa 2 tế bào vi khuẩn khác “giới tính” ký hiệu là F+ và F-. Khi 2 tế bào vi khuẩn tiếp xuc với nhau sẽ hình thành một cầu nối (pilus) và plasmid (hoặc một mảnh genome) của tế bào F+ sẽ chuyển sang tế bào F- qua pilus.

- Tải nap (transduction): là hình thức chuyển gen từ tế bào cho sang tế bào nhận thông qua vector là thực khuẩn thể (Bacteriophage).

* Vi khuẩn – đột biến

Tương tự như nấm, vì vi khuẩn sinh sản vô tính là chủ yếu nên đột biến là cơ chế quan trọng nhất dẫn tới sự đa dạng di truyền của vi khuẩn.

* Virus – tái tổ hợp

Một cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng di truyền của virus là tái tổ hợp (recombination). Hiện tượng tái tổ hợp rất phổ biến đối với virus thực vật. Do virus tái sinh trong tế bào chất hoặc nhân của tế bào ký chủ nên tái sinh virus phụ thuộc hoàn toàn vào bộ máy phiên mã và tái sinh của tế bào ký chủ. Nếu tế bào bị nhiễm nhiều loại virus thì các phân tử virus (khác loài hoặc chủng) có thể trao đổi chéo với nhau thông qua tái sinh chẳng hạn các enzyme polymerase của ký chủ sẽ chuyển từ khuôn của phân tử virus này sang virus khác dần tới tạo ra một phân tử lai được hình thành từ 2 khuôn khác nhau. Ví dụ về tái tổ hợp là Tomato yellow leaf curl Vietnam virus (TYLCVNV) chứa một chuỗi khoảng 1000 nts của virus Tomato leaf curl Vietnam virus (ToLCV) ở phía bên phải của bộ gen.

* Virus – đột biến

Đột biến cũng là cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng của virus thực vật. Do tốc độ sinh sản rất nhanh, trong quần thể các phân tử virus trên cùng một cây thường tồn tại nhiều đột biến.

* Các lực điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh

Nhiều yếu tố tham gia điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh. Các lực chính bao gồm sự biệt lập địa lý và câ ký chủ.

- Rào cản địa lý. Rào cản địa lý là một yếu tố quan trọng điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh. Nhiều loài/chủng tác nhân gây bệnh chỉ có mặt ở vùng này mà không có mặt ở vùng khác. Ngoài ra, đặc điểm ngoại cảnh và ký chủ khác biệt nhau giữa các vùng địa lý cũng đóng góp vào yếu tố điều khiển này. Hậu quả của rào cản địa lý là hình thành nên các loài/chủng đặc trưng cho từng vùng địa lý. Ví dụ quần thể vi khuẩn bạc lá của Trung quốc khác Việt Nam dẫn tới nhiều giống lúa lai Trung Quốc, vốn kháng rất tốt bệnh bạc lá tại Trung Quốc, đã không thể kháng được quần thể vi khuẩn bạc lá của Việt Nam.

- Cây ký chủ. Đây là một trong các yếu tố chính điều khiển sự tiến hóa của quần thể tác nhân gây bệnh trong một vùng địa lý xác định. Cây ký chủ và tính kháng của nó có thể tác động đến sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh ở mức loài hoặc dưới loài. Ví dụ,đã có bằng chứng cho thấy 3 loài nấm P. mirabilis, P. ipomoeae, và P. infestans tiến hóa từ một tổ tiên chung và nhiễm trên 3 họ thực vật hoàn toàn khác nhau. Ở mức dưới loài, hậu quả của tương tác giữa tác nhân gây bệnh với các loài/giống cây ký chủ khác nhau đã dẫn tới hình thành các khái niệm chủng sinh lý (race), dạng chuyên hóa (forma specialis, số ít), biovar, pathovar...của tác nhân gây bệnh (chú ý, đây là các khái niệm phân loại không chính thức dưới loài và khác nhau tùy theo đối tượng nghiên cứu). Ví dụ đối với loài nấm Fusarium oxysporum, hàng chục dạng chuyên hóa (formae speciales, số nhiều) được phân biệt trên cơ sở tính gây bệnh héo với các loài ký chủ khác nhau, Vd: Fusarium oxysporum f.sp. asparagi (măng tây); f.sp. cubense (chuối); f.sp. dianthi (cẩm chướng); f.sp. lycopersici (cà chua); f.sp. niveum (dưa hấu); f.sp. tracheiphilum (đậu tương). Trong mỗi một dạng chuyên hóa, các tác nhân gây bệnh có thể phân nhóm lại thành các race trên cơ sở tính gây bệnh trên các giống cây khác nhau; ví dụ F. oxysporum f.sp. cubense gây bệnh trên chuối gồm 4 race (1,2,3,4). Tương tự, loài vi khuẩn R. solanacearum gồm 5 race được phân biệt dựa trên tính gây bệnh trên các cây ký chủ khác nhau.

Câu 19. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen kháng R. Đồng tiến hóa trong sản xuất nông nghiệp, Đồng tiến hóa trong hệ sinh tahis tự nhiên.

* Đồng tiến hóa trong sản xuất nông nghiệp

Trong sản xuất nông nghiệp, người ta thường tạo các giống cây đồng nhất về di truyền, mang tính kháng đặc hiệu chủng. Tuy nhiên, sau một vài năm, tính kháng bị bẻ gẫy. Để duy trì năng suất, người ta lại thay một giống khác mang gen kháng mới và sau một vài năm, tính kháng lại bị mất. Hiện tượng tính kháng bị mất là do trong quần thể tác nhân gây bệnh đã xuất hiện các đột biến tự phát khắc phục được tính kháng.

Việc đưa liên tục các giống kháng mới đã gây ra sự đồng tiến hóa nhân tạo giữa giống kháng đặc hiệu chủng và tác nhân gây bệnh độc đặc hiệu hình thành tự phát. Các lực điều khiển sự đồng tiến hóa này là (i) tốc độ sinh sản và đột biến cao của tác nhân gây bệnh và (ii) việc đưa liên tục các giống kháng mới vào sản xuất.

- Quá trình đồng tiến hóa giữa cây trồng và tác nhân gây bệnh gồm nhiều bước:

Giả sử đầu tiên là giống A có kiểu gen r1/r2/rn hoàn toàn bị nhiễm bệnh đối với tác nhân gây bệnh B có kiểu gen Avr1/Avr2/Avrn.

+ Bước đầu tiên là đưa 1 gen kháng R1 vào giống A để có giống kháng R1 có kiểu gen R1/r2/rn. Sự nhận biết đặc hiệu giữa sản phẩm của gen R1 (ký chủ) và Avr1 (ký sinh) đã tạo ra sự kháng bệnh.

+ Bước thứ 2 là sự chọn lọc các cá thể ký sinh mang đột biến tự phát avr1/Avr2/Avrn. Do các cá thể mang đột biến tự phát này mất yếu tố không độc qui định bởi gen Avr1 nên không bị yếu tố kháng qui định bởi gen R1 nhận biết dẫn tới có khả năng gây bệnh trên giống kháng tạo ra ở bước 1.

+ Bước thứ 3, tương tự bước thứ nhất, là tạo ra giống kháng mới mang gen kháng R2 (có kiểu gen R1/R2/rn. Giống kháng này có thể kháng lại chủng tác nhân gây bệnh có kiểu gen avr1/Avr2/Avrn do có sự nhận biết giữa sản phẩm của gen R2 (ký chủ) và Avr2 (ký sinh).

+ Bước thứ 4, tương tự bước thứ 2, là sự chọn lọc các đột biến tự phát các cá thể có kiểu gen avr1/avr2/Avrn hình thành trong quần thể tá nhân gây bệnh. Như vậy sự đồng tiến hóa giữa giống kháng và tác nhân gây bệnh độc trong sản xuất nông nghiệp là cuộc đua không có điểm dừng giữa việc đưa giống kháng mới và sự hình thành – chọn lọc các cá thể độc trong quần thể tác nhân gây bệnh.

- Một số điểm chú ý:

Sự hình thành đột biến độc trong quần thể tác nhân gây bệnh không độc ở bước 2 và 4 vốn, về lý thuyết, không thể nhân lên trong quần thể cây kháng là do 1 trong 2 khả năng: (i) đột biến có thể được mang từ nơi khác tới hoặc (ii) đột biến hình thành tại chỗ nếu quần thể tác nhân gây bệnh không độc có thể gây bệnh ở mức độ yếu.

Thời gian tồn tại của giống kháng có thể kéo dài nếu đưa 2 hoặc nhiều gen kháng vào giống kháng. Giống cây càng mang nhiều gen kháng thì cơ hội cho tác nhân gây bệnh không độc có đột biến đồng thời khắc phục tất cả các gen kháng này càng thấp. Tuy nhiên việc tạo giống vừa mang nhiều gen kháng chủ vừa duy trì các tính trạng nông học tốt không dễ dàng.

* Đồng tiến hóa trong hệ sinh thái tự nhiên

Trong hệ sinh thái tự nhiên, cơ chế đồng tiến hóa giữa ký sinh-ký chủ cũng tương tự như trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên biểu hiện và hậu quả của sự đồng tiến hóa này có nhiều điểm khác biệt:

Trong hệ sinh thái tự nhiên, tác nhân gây bệnh gây ít thiệt hại hơn nhiều đối với cây so với hệ sinh thái trồng trọt. Các gen kháng đặc hiêu hình thành tự phát trong quần thể cây và sự bền vững của nó chủ yếu bị ảnh hưởng bởi mức độ đa hình của chính nó cũng như sự cân bằng giữa các đột biến độc/không đôc trong quần thể tác nhân gây bệnh. Các yếu tố này thường dẫn tới trạng thái cân bằng về tính kháng của ký chủ và và tính gây bệnh  của ký sinh. Trạng thái cân bằng này đảm bảo sự tồn tại của cả cây và tác nhân gây bệnh.

Trạng thái cân bằng giữa ký sinh – ký chủ trong hệ sinh thái tự nhiên có được là do quần thể tác nhân gây bệnh cũng như cây không có kiểu gen đồng nhất trên môt diện tích lớn. Trên một diện tích lớn, chúng thường tồn tại dưới dạng cái gọi là siêu quần thể (metapopulation). Một siêu quần thể gồm nhiều quần thể phụ có đặc trưng kháng /độc khác nhau. Do vậy nếu sự cân bằng về tính kháng (ký chủ)/tính độc (ký sinh) tại một quần thể phụ bị phá vỡ thì một cân bằng mới dễ dàng được thiết lập do sự di chuyển của tác nhân gây bệnh cũng như sự chuyển gen của cây ký chủ thông qua giao phấn hoặc phát tán hạt từ các quần thể phụ lân cận.

Câu 20. Quan hệ giữa vi sinh vật và cây

Một loài tác nhân gây bệnh tiềm tàng không có khả năng gây bệnh trên bất kỳ giống của một loài cây nào đó gọi là tác nhân gây bệnh khác dạng (heterologous pathogen) của loài cây đó. Ví dụ nấm đạo ôn (Pyricularia oryzae) là tác nhân gây bệnh khác dạng của ngô. Loài cây kháng tất cả các chủng của một loài tác nhân gây bệnh tiềm tang được gọi là cây phi ký chủ (non-host plant) của loài tác nhân đó. Ví dụ cà chua là cây phi ký chủ của nấm đạo ôn. Hai đối tượng này có tương tác khác dạng (heterologous interaction), hay tương tác không tương hợp (incompatible interaction) hay sự không tương hợp cơ bản (basic incompatibility). 

Một loài tác nhân gây bệnh tiềm tàng có khả năng nhiễm bệnh trên một loài cây nào đó gọi là tác nhân gây bệnh cùng dạng (homologous pathogen) của loài cây đó. Ví dụ nấm đạo ôn (Pyricularia oryzae) là tác nhân gây bệnh cùng dạng của cây lúa. Loài cây bị nhiễm bởi 1 hay nhiều chủng của một loài tác nhân gây bệnh được gọi là cây ký chủ (host plant) của loài tác nhân đó. Ví dụ lúa là cây ký chủ của nấm đạo ôn. Hai đối tượng này có tương tác cùng dạng (homologous interaction), hay tương tác tương hợp (compatible interaction) hay sự tương hợp cơ bản (basic compatibility). 

Câu 21. Miễn dịch bẩm sinh ở thực vật

Trong đời sống của mình, cây bị tấn công bởi nhiều loại tác nhân gây bệnh. Tuy nhiên chỉ một số lượng rất nhỏ các tác nhân này có khả năng gây bệnh cho cây.

Thực vật thiếu một cơ chế miễn dịch thích nghi và di động như ở động vật. Hiện nay, nhiều bằng chứng cho thấy thực vật cũng tồn tại một cơ chế miễn dịch bẩm sinh. Điểm giống nhau cơ bản giữa miễn dịch bẩm sinh của động vật và thực vật là sự nhận biết giữa các receptor của tế bào và các MAM/PAMP của tác nhân gây bệnh.

Một trong những định nghĩa của tính kháng hay miễn dịch bẩm sinh là “hệ thống giám sát nhằm phát hiện sự có mặt và bản chất của sự xâm nhiễm và tạo ra phòng tuyến phòng thủ của ký chủ. Như vậy tính kháng bẩm sinh dựa vào khả năng nhận biết của cây đối với ký sinh mà sự nhận biết này có thể trực tiếp hoặc gián tiếp.

Hiển nhiên tính kháng bẩm sinh được điều khiển bởi đặc trưng di truyền của ký chủ và là một hệ thống phòng thủ nhiều lớp. Ngay khi vượt qua được lớp rào cản vật lý bên ngoài (bề mặt cây), tác nhân gây bệnh sẽ gặp phải hệ thống cảnh báo là các phân tử receptor trên bề mặt tế bào.

Khác với động vật, ở thực vật, miễn dịch bẩm sinh bao gồm cả 2 loại đặc hiệu và không đặc hiệu. Dựa vào mức độ đặc hiệu tính kháng bẩm sinh của cây có thể được chia thành tính kháng không đặc hiêu (tính kháng chung) và tính kháng đặc hiệu.

Câu 22. Tính kháng ko đặc hiệu (Non-specific resistance)

Tính kháng không đặc hiệu hay tính kháng chung có thể được định nghĩa là tính kháng mà tất cả các thành viên (dòng/giống) của một loài cây kháng được tất cả các thành viên (chủng/nòi) của một loài tác nhân gây bệnh.

Cần chú ý là tính kháng không đặc hiệu còn được gọi là tính kháng cơ bản (basic resistance). Nếu tính kháng cơ bản hình thành từ mối quan hệ tương tác khác dạng (ví dụ như giữa nấm Pyricularia và cây ngô) thì mức độ kháng rất cao hay miễn dịch. Trái lại, nếu tính kháng cơ bản hình thành từ mối quan hệ tương tác cùng dạng (ví dụ giữa nấm đạo ôn và cây lúa) thì mức độ kháng thường thấp (tính kháng ngang) vì tác nhân gây bệnh đã đưa vào trong tế bào nhiều effector ức chế tính kháng cơ bản của cây.

Về mặt tiến hóa, tính kháng không đặc hiệu cổ hơn tính kháng đặc hiệu.

Tính kháng không đặc hiệu hình thành dựa trên khả năng của cây nhận biết được các các elicitor chung (general elicitor) của tác nhân gây bệnh. Hiện nay, các elicitor này được gọi là các PAMP. Thuật ngữ PAMP do các nhà nghiên cứu miễn dịch động vật sử dụng đầu tiên và đang dần bị thay thay thế bởi thuật ngữ MAMP vì người ta thấy rằng các vi sinh vật không gây bệnh cũng có các PAMP giống như của tác nhân gây bệnh.

Các PAMP/MAMP nhìn chung đa dạng về bản chất hóa học, thường là các chuỗi peptide, glycoprotein, lipids và oligosaccharides có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh và không gây bệnh. Điểm chú ý là trong quá trình gây bệnh, các tác nhân gây bệnh thông qua các hoạt động enzyme thủy phân cũng tạo ra các chất có nguồn gốc từ vách tế bào thực vật mà các chất này cũng đóng vai trò như elicitor kích hoạt phản ứng phòng thủ của cây. Các chất có nguồn gốc từ ký chủ như trên được gọi là các mô hình phân tử (có nguồn gốc ký chủ) được cảm ứng bởi tác nhân gây bệnh và  được ký hiệu là MIMPs (Microbe-Induced Molecular Patterns). Như vây cây không chỉ nhận biết và phản ứng với các dấu hiệu có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh mà còn có nguồn gốc từ chính cây.

Các PAMP/MAMP hiển nhiên khá bảo thủ trong một nhóm tác nhân gây hại. Một số các MAMP/PAMP chung nổi tiếng là:

- Lypopolysacharid (LPS). LPS có nguồn gốc từ các vi khuẩn gram (-) như Xanthomonas, Pseudomonas…LPS cảm ứng để tạo ra sự cháy oxy hóa, hình thành các enzyme kháng sinh.

- Flagellin. Là protein cấu tạo nên lông roi vi khuẩn gram (-). Mỗi lông roi bao gồm hàng ngàn tiểu phần flagellin. Flagellin chứa một motif nhân biết gồm 22 aa (đoạn fgl22). Flagellin có thể cảm ứng tạo để hình thành callose và các phản ứng phòng thủ khác như hình thành PR protein.

- Harpin. Harpin là các protein được mã hóa bởi gen hrp (viết tắt của hypersensitive response and pathogenicity) của vi khuẩn gram (-). Phần lớn các loài vi khuẩn có 2 cum gen hrp. Cum lớn gồm 6-9 đơn vị phiên mã, mỗi đơn vị mã hóa 1-9 protein. Các protein harpin nằm trên màng tế bào vi khuẩn, tham gia cấu tạo nên hệ thống tiết loại III của vi khuẩn. Hệ thống tiết loại III sẽ vận chuyển Avr protein và cả harpin vào trong tế bào cây. Harpin cảm ứng để tạo phản ứng siêu nhạy/apoptosis và các phản ứng phòng thủ khác.

- Chitin. Oligomer của chitin từ vách tế bào nấm có thể cảm ứng hình thành phytoalexin và lignin hóa tế bào cây.

- Glucan. Glucan từ vách tế bào nấm, đặc biệt là nấm trứng như Phytophthora có thể cảm ứng hình thành phytoalexin.

- Glycoprotein. Glicoprotein từ vách tế bào nấm trứng như Phytophthora có thể cảm ứng hình thành phytoalexin.

Câu 23. Tính kháng đặc hiệu (tính kháng đặc hiệu giống cây/chủng tác nhân gây bệnh)

Trong quá trình gây bệnh, tác nhân gây bệnh đã tiết vào trong tế bào nhiều effector. Các effctor vốn lúc đầu có ích cho tác nhân gây bệnh nhưng dần bị phát hiện bởi protein của ký chủ. Sự phát hiện, tương tác này là đặc hiệu và dẫn tới hình thành mối quan hệ gen-đối –gen và tạo ra tính kháng gen-đối-gen.

Câu 24. Các receptor nhận biết PAMP/MAMP/Avr protein

Các receptor này thường được phân nhóm thành PAMP/MAMP – receptor và protein R (gen-for-gen). Các receptor nhận biết các MAMP/PAMP thường là các recetor xuyên màng và có vùng lặp giàu leucin nằm phía bên ngoài tế bào. Tuy nhiên, cơ sở cho việc phân chia này không phải lúc nào cũng rõ ràng, vì vây chúng ta sẽ gọi chung tất cả là protein R (xem bài trước).

Câu 25. Nhận biết và tương tác giữa các protein R và PAMP/MAMP/Effector

Vai trò của Effector (chất hiệu ứng): Effector là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh tác động lên tế bào ký chủ, nhờ đó tạo điều kiện cho sự nhiễm bệnh.

Đối với cây, sự nhận biết các elicitor chung (MAMP/PAMP) đã hình thành tính kháng cơ bản. Tính kháng này còn được gọi là tính kháng khởi động bởi MAMP/PAMP. Tính kháng này có thể hiệu quả dẫn tới cây không bị bệnh.

Tuy nhiên, tác nhân gây bệnh có thể khắc phục tính kháng cơ bản bằng cách tiết vào tế bào cây các effector. Một vi khuẩn gây bệnh (vd Pseudomonas syringae) trong quá trình gây bệnh có thể tiết vào trong tế bào thực vật từ 20 -30 effector khác nhau thông qua hệ thống tiết loại III. Tương tự, các loại nấm biotroph cũng tiết vào tế bào cây nhiều effector thông qua vòi hút (haustorium) hình thành bên trong tế bào (vd nấm gỉ sắt cây lanh M. lini tiết vào tế bào tới 21 loại effector khác nhau). Nhiều effector của tác nhân gây bệnh có hoạt tính enzym, có vai trò biến đổi các protein của ký chủ nhằm tạo điều kiện cho sự gây bệnh và làm mất khả năng nhận biết của cây. Một trong các vai trò của các effector này là ức chế phản ứng phòng thủ của cây thông qua nhận biết PAMP/MAMP. Một số các protein của virus thực vật (Vd HP = Helper Component) của các potyvirus) có khả năng ức chế phản ứng phòng thủ của cây thông qua cơ chế gene silencing cũng có thể được xem là effector của virus. Nếu hoạt động của các effector này hiệu quả, cây sẽ bị nhiễm bệnh.

Các effector của tác nhân gây bệnh được nghiên cứu nhiều nhất là các Avr protein. Nếu cây có gen R có thể nhận biết được các Avr protein thì một lớp phản ứng kháng thứ 2 sẽ hình thành và  được gọi là tính kháng khởi động bởi effector. Tính kháng khởi động bởi effector hiển nhiên là đặc hiệu và thường tuân theo quan hệ gen-đối-gen.

Câu 26. Dẫn truyền tín hiệu trong miễn dịch thực vật: Đường hướng salicyclic acid (SA), Đường hướng dẫn truyền JA và ET

Phản ứng phòng thủ tạo được của cây điều khiển bởi một mạng lưới các đường hướng dẫn truyền tín hiệu chồng chéo lên nhau. Nhiều phân tử tham gia các đường hướng dẫn truyền tín hiệu.

a. Đường hướng salicyclic acid (SA)

Salicyclic acid (SA) là một phytohocmon thưc vật, có vai trò quan trọng trong phát triển, quang hợp, hô hấp… của thực vật.

SA cũng là một phân tử tín hiệu nội sinh tham gia cảm ứng tính kháng tạo được của thực vât. Vai trò của SA trong dẫn truyền tính kháng đã được chứng minh trong một số thí nghiệm:

- Xử lý SA trên cây thuốc lá đã dẫn tới giảm triệu chứng bị nhiễm bởi TMV và  tích lũy nhiều PR protein (thí nghiệm của White, 1970).

- Lây nhiễm TMV trên thuốc lá dẫn tới hàm lượng SA tăng cục bộ (tại vị trí lây nhiễm) và hệ thống (toàn cây).

- Cây Arabidopsis chuyển gen NahG (naphthalene hydroxylase G) của vi khuẩn Pseudomonas putida (là gen mã hóa salicylate hydroxylase, một enzyme chuyển SA thành dạng bất hoạt là catechol) đã biểu hiện tính mẫn cảm cao đối với nhiều loại tác nhân gây bệnh khác nhau như nấm, vi khuẩn và virus.

- Cây chứa các đột biến mất khả năng tích lũy SA như eds4, eds5 (enhanced disease susceptibility), sid1, sid2 (SA induction-deficient), pad4 (phytoalexin-deficient) biểu hiện tính mẫn cảm cao với tác nhân gây bệnh.

SA tương tác với catalase – là một enzyme xúc tác cho sự phân hủy H2O2 thành H2O và O2. H2O2  là phân tử hoạt động phía thượng lưu của quá trình dẫn truyền tín hiệu. Phía hạ lưu của đường hướng dẫn truyền tín hiệu (phía sau SA) là một protein gọi là NPR1 (non-expressor of PR1 protein) cần cho dẫn truyền SA. Sản phẩm cuối cùng của đường hướng dẫn truyền SA là các loại PR protein (xem bài 3), trong đó quan trọng nhất là protein nhóm PR1.

Đường hướng dẫn truyền SA thường do các tác nhân gây bệnh nhóm biotroph gây ra (bài 3). Nhìn chung các tác nhân gây bệnh này sinh trưởng trong gian bào và nhân lên trong mô nhiều ngày trướ khi gây chết hoại mô.

b. Đường hướng dẫn truyền JA và ET

Jasmonic acid (JA) và ethylen (ET) cũng là các phytohormon. Cả JA và ET đã được chứng minh có vai trò trong tính kháng bệnh như trong các ví dụ sau:

- Cây Arabidopsis mang đột biến mất khả năng hình thành JA như fad3/fad7/fad8 (3 đột biến gen fatty acid desaturase) hoặc mất khả năng tiếp nhận JA như coi1 (coronatine insensitive1) hoặc kháng JA như jar1 (jasmonic acid resistant1) biểu hiện tính mẫn cảm dối với một loạt tác nhân  gây bệnh như nấm Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea, Pythium, vi khuẩn Erwinia carotovora.

- Cây Arabidopsis mang đột biến trơ với ET như ein2 (ethylene insensitive2) biểu hiện tính mẫn cảm với nấm  B. cinerea và vi khuẩn  E. carotovora.

- Xử lý JA hoặc ET đã dẫn đến là cây biểu hiên gen PDF1-2 (mã hóa protein phòng thủ là defensin) và Thi2-1 (mã hóa protein phòng thủ là thionin), hel (hevein-like protein) và chib (chitinaseB). Các gen này được xem là dấu hiệu phổ biến của đường hướng dẫn truyền JA/ET.

Đường hướng JA/ET có nhiều điểm khác với đường hướng SA: (1) JA/ET hình thành chủ yếu do nhóm necrotroph như nấm Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea, Pythium, vi khuẩn Erwinia carotovora. Các tác nhân này giêt chết nhanh chóng tế bào cây để hấp thu dinh dưỡng (xem bài 2); (2) sự tích lũy JA và ET có thể hình thành do tác nhân gây bệnh, nhưng cũng có thể hình thành từ các tổn thương do côn trùng .

* Giao tiếp chéo (cross talk) giữa đường hướng SA và JA/ET.

Đã có nhiều bằng chứng cho thấy 2 đường hướng SA và JA/ET không hoàn toàn độc lập với nhau mà có tương tác với nhau. Cả 2 đường hướng đều có ảnh hưởng thuận và nghịch nhưng nhìn chung, mối quan hệ nghịch (đối kháng) là phổ biến. Ví dụ cây Arabidopsis mang gen kháng eds1 và pad4 (giảm tích lũy SA) đã làm tăng khả năng biểu hiện của đường hướng JA/ET.

Quan hệ đối kháng này cần được xem xét khi ứng dụng thực tế vì khi tạo SAR để chống bệnh theo đường hướng SA thì SAR theo đường hướng JA/ET có thể bị ức chế dẫn tới cây dễ bị nhiễm côn trùng gây hại.

Câu 28. Tính kháng tập nhiễm hệ thống SAR

a. Định nghĩa

Cây trồng trong quá trình tiến hóa đã phát triển một số cơ chế phòng thủ chống lại tác nhân gây bệnh. Trong những năm 1960, Ross đã quan sát thấy rằng khi lây nhiễm nhân tạo cây thuốc lá với virus TMV sẽ hình thành tính kháng hệ thống vì khi lây nhiễm tiếp TMV lần thứ 2 tại vị trí cách xa điểm lây nhiễm lần đàu thì vết chết hoại hình thành nhỏ hơn. Tính kháng kiểu này đã được gọi là tính kháng tập nhiễm hệ thống (SAR)

Định nghĩa. SAR là loại tính kháng tạo được có tính lưu dẫn (hệ thống), phổ rộng (chống lại nhiều tác nhân gây bệnh), thường dẫn tới biểu hiện PR protein và thông qua hệ đường hướng dẫn truyền tín hiệu SA, JA/ET.

SAR có thể được hình thành trên nhiều loài cây bởi các tác nhân gây vết bệnh chết hoại (là biểu hiện của phản ứng siêu nhạy hoặc là biểu hiện của triệu chứng).

Cần chú ý nếu tính kháng tạo được nhưng không lưu dẫn tức tính kháng chỉ hình thành xung quanh vị trí xâm nhiễm thì được gọi là tính kháng tập nhiễm cục bộ (local acquired resistance).

Dấu hiệu phân tử tín hiệu đặc trưng của SAR là SA có thể được tạo ra rất nhanh trong vòng vài giờ (4-6 giờ) sau lây nhiễm và nhân lên nhanh chóng; sau  khoảng 24 giờ SAR đã biểu hiện toàn cây. Sự di chuyển của SAR thường theo hướng từ dưới gốc lên trên ngọn.

Cây có thể duy trì SAR trong thời gian rất lâu, trong nhiều trường hợp kéo dài cả đời của cây.

b. Các hóa chất ngoại bào có khả năng cảm ứng SAR

SAR hình thành khi có sự tấn công của tác nhân gây bệnh. Tuy nhiên nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ rằng SAR có thể được tạo ra khi xử lý các hợp chất tự nhiên hoặc tổng hợp. Tất cả các hóa chất có khả năng cảm ứng SAR được gọi là các chất kích hoạt SAR (chất kích kháng).

Để có thể được xem là chất kích hoạt SAR thực sự, một hóa chất hoặc sản phẩm chuyển hóa của nó phải không có hoạt tính kháng sinh. Một số thuốc hóa học trừ bệnh ngoài hoạt tính kháng nấm còn có khả năng cảm ứng SAR như Fosetyl-Al (Aliet), metalaxyl, Cu(OH)2. Một số hóa chất cảm ứng SAR phổ biến bao gồm:

- SA (salicylic acid). Xem phần đường hướng dẫn truyền SA.

- INA (dichloroisonicotinic acid). INA có cơ chế cảm ứng SAR giống như  SA chống lại nhiều tác nhân gây bệnh. INA có thể cảm ứng SAR trước hoặc sau khi lây nhiễm. Điểm khác biệt so với SA là INA cảm ứng SAR độc lập với SA và hoạt động ở phía hạ lưu đường hướng dẫn truyền tín hiệu so với SA.

- BTH (benzo(1,2,3)-thiadiazole-7-carbothiolic acid (BTH, acibenzolar-S-methyl). BTH là sản phẩm của hãng Novartis (bán tại Việt Nam với tên thương mại là BION). BTH có thể cảm ứng SAR ở liều lượng thấp, do vậy tránh được hiệu ứng gây độc cho cây. BTH có cơ chế tạo SAR giống như SA và có thể chống được nhiều nhóm tác nhân gây hại kể cả virus. BTH có hiệu quả chống nấm Cercospora nicotianae, Peronospora tabacina, Phytophthora parasitica, nhiều nấm phấn trắng, gỉ sắt và sương mai khác, vi khuẩn Pseudomonas syringae, virus TMV, CMV và TSWV.

- Chitosan. Các oligomer của chitosan hình thành từ sự loại bỏ nhóm acetyl của chitin (dạng polymer mach thẳng của N-acetyl-D-glucosamine). Chitosan có khả năng kháng nấm trực tiếp (biến đổi cấu trúc vách tế bào nấm, ảnh hưởng đến sinh tổng hợp chitin của vách tế bào nấm). Ngoài ra, chitosan cũng được biết là cảm ứng hình thành SAR .

Câu 30. R và Avr protein nấm đạo ôn, đa dạng của nấm và bộ giống chỉ thị; Quần thể nấm Pyricularia oryzae tại miền Bắc Việt Nam. Đa dạng của quần thể tác nhân gây bệnh. Đa dạng của tác nhân gây bệnh.

a. R và Avr proteins

Hiện có khoảng 40 gen kháng chủ đối với nấm P.oryzae đã được xác đinh trên lúa với khoảng gần 10 gen đã được clon. Trong số các gen này, Pi-ta là gen kháng được nghiên cứu nhiều nhất.

Pi-ta là gen nằm ở vùng trung tâm của nhiễm sắc thể số 12. Protein Pi-ta là một protein (928 aa) kháng R thuộc lớp CNL (CC-NB-LRR) hoạt động tại tế bào chất. Vùng lặp giàu leucine (LRR) của Protein Pi-ta tương tác trực tiếp với AvrPi-ta để tạo tính kháng. Các allen pi-ta (lặn) ở các giống nhiễm bệnh mã hóa cho một protein chỉ khác 1 aa so với allen Pi-ta (trội). Các gen kháng như Pi-ta2 là gen allen của Pi-ta

Nấm M. oryzae tao ra 3 nhóm Avr protein có thể được nhận biết ở mức đặc hiệu giống, trong đó quan trọng nhất là AvrPita protein. AvrPita gen nằm ở gần đầu nhiễm sắc thể của nấm và mất đỉnh nhiễm sắc thể nấm (chứa AvrPita gen) là một cơ chế dẫn tới nấm có khả năng gây bệnh. AvrPita có bản chất protease và tương tác với protein kháng tương ứng của ký chủ là Pita protein. Tương tác giữa AvrPita và Pita là tương tác trực tiếp.

b. Đa dạng của nấm/ Bộ giống chỉ thị

Nấm Pyricularia oryzae được xem là một quần thể không đồng nhất. Dựa trên các phân tích phân tử, nhìn chung nấm được phân nhóm trên cở sở phân bố địa lý (vd nhóm châu Mỹ, châu Âu, Nhật bản, Iran…). Nhìn chung, các quần thể nấm thuộc các khu vực khởi nguyên cây lúa (chẳng hạn ở khu vự dãy Hymalaya, hoặc Đông Nam Á) có mức độ đa dạng cao hơn.

Thông tin về mức độ đa dạng di truyền của bất kỳ quần thể tác nhân gây bệnh nào đều cần thiết cho các chương trình chọn tạo giống kháng bệnh. Đối với nấm đạo ôn, vào năm 1967, IRRI đã thiết lập một hệ thống phân biệt các chủng sinh lý race/pathotype của nấm dựa trên một bộ giống chỉ thị gồm 8 giống, theo thứ tự là: Raminad, Zenith, NP-125, Usen, Dular, Kanto 51, Sha-tiao-tsao, Caloro. Hệ thống phân biệt các race nấm này vẫn được sử dụng tại nhiều nước trên thế giới.

Các race nấm, được thử tính gây bệnh trên bộ giống này, sẽ được ký hiệu như sau: I (từ international); tiếp theo là 1 trong các chữ A, B, C, D, E, F, G, H, (mỗi chữ đại diện cho một giống chỉ thị và tương ứng với giống mẫn cảm đầu tiên khi thử trên tám giống theo thứ tự ở trên); cuối cùng là một số chỉ kiểu tính độc. Ví dụ một isolate nấm có phản ứng S, R, R, R, R, R, R, R (S = susceptible, R = resistant) có ký hiệu là IA. Dựa vào hệ thống này, tối đa 256 nhóm chủng (28) có thể được phân biệt, trong đó lần lượt 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2 và 1 nhóm chủng ở các nhóm chủng IA, IB, IC, ID, IE, IF, IG và IH.

Tuy nhiên vì bộ giống chỉ thị này chỉ chứa ít gen kháng (khoảng 5 gen) nên không thể đánh giá được mức độ đa dạng của nấm. Hiện nay, ngoài bộ giống chỉ thị trên, các nước đều phát triển bộ giống chỉ thị riêng, đặc biệt sử dụng các dòng gần đẳng gen (near isogenic lines) chứa 1 hoặc vài gen kháng.

c. Quần thể nấm P. oryzae tại miền Bắc Việt Nam

Sử dụng kỹ thuật AFLP, Nguyễn Thị Ninh Thuận (2006) đã nghiên cứu mức độ đa dạng và tính gây bệnh của 114 isolates nấm thu thập tại nhiều tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng. Nghiên cứu này cho thấy:

- Quần thể nấm P. oryzae tại đồng bằng sông Hồng có tính đa dạng cao gồm 7 nhóm VNG1, VNG2,..., VNG7.

- Quần thể nấm phân lập trên các giống lúa tẻ khác quần thể nấm phân lập trên các giống lúa nếp. Quần thể nấm trên lúa tẻ gồm 4 nhóm VNG1, VNG2, VNG3 và VNG4, còn trên lúa nếp gồm 3 nhóm VNG 5, VNG6 và VNG7.

- Các nhóm VNG1, VNG3, VNG 4 chiếm ưu thế với VNG1 chiếm tới hơn 50%.

- Nhiều giống chỉ thị mang nhiều gen kháng có thể chống được quần thể nấm P. oryzae của miền Bắc (ví dụ giống Morobenekan mang các gen kháng Pi-7(t), Pi-10(t), Pi-12(t), Pi-44(t), Pi-157), tuy nhiên không thể biết được gen nào điều khiển tính kháng.

Dựa trên phản ứng của đại diện các nhóm đối với các giống chỉ thị có số lượng gen kháng ít, các gen kháng sau nên được sử dụng để tạo giống kháng nấm đạo ôn ở miền Bắc: Pi-1, Pi-2, Pi-33, Pi-ta2, Pi-k.

d. Đa dạng của tác nhân gây bệnh

Các cá thể của loài tác nhân gây bệnh tại 1 vùng địa lý thường không đồng nhất. Chúng có thể tồn tại dưới dạng các chủng (race, strain), type sinh học (biotype), nòi sinh học (biovar, pathovar = pv.), dạng chuyên hóa (forma specialist = f.sp.)... Cần chú ý là các khái niệm race, strain....nêu trên là các khái niệm phân loại không chính thức ở mức dưới loài và thường rất khác nhau cũng như không tương đương nhau giữa các nhóm/loài tác nhân gây bệnh (thường do các nhà khoa học nghiên cứu một nhóm/loài tác nhân nào đó qui định). Ngoài ra, dựa vào các nghiên cứu phả hệ (phylogenetic), thường là các nghiên cứu phân tử, quần thể của tác nhân gây bệnh còn có thể được xếp vào các nhóm phả hệ khác nhau (phylogenetic group).

Các nhóm đa dạng trên có thể rất khác nhau về tính gây bệnh/tính độc trên một loài/giống cây ký chủ tương ứng. Do vậy, để tạo ra một giống cây kháng bệnh áp dụng cho một vùng nào đó, đầu tiên, người ta cần phải biết được mức độ đa dạng của tác nhân gây bệnh.

* Một số ví dụ về mức độ đa dạng:

1. Nấm Pyricularia oryzae (bệnh đạo ôn lúa): xem chương 6

3. Nấm Fusarium oxysporum. Đây là loài nấm đa dạng, gây bệnh héo mạch dẫn trên rất nhiều loài thực vật có hoa. Loài này gồm khoảng 100 dạng chuyên hóa (formae speciales = số nhiều) căn cứ trên tính gây bệnh trên các loài cây trồng khác nhau. Mỗi dạng chuyên hóa lại có thể bao gồm các chủng khác nhau dựa trên tính gây bệnh trên giống khác nhau.

Ví dụ: Fusarium oxysporum f.sp. cubense gây hại trên các cây thuộc 2 họ Musaceae và Heliconeaceae (bộ Zingiberales). Dạng chuyên hóa này, căn cứ tính gây bệnh trên các giống chuối lại được chia thành 4 race là race 1, race 2, race 3 và race 4. Trong 4 race này, race 4 nhiễm chủ yếu trên các giống Cavendish (AAA) = nhóm chuối tiêu, và lại được chia tiếp thành race 4 nhiệt đới (tropical race 4) và race 4 cận nhiệt đới (subtropical race 4).

Câu 32. Nguồn gen kháng

Nguồn gen kháng bệnh có chung “bể gen” như đối với các gen qui định các tính trạng di truyền khác. “Bể gen” này có thể là các giống địa phương hiện trồng, giống nhập nội, giống địa phương cổ truyền, giống đã bị loại bỏ, các loài cây họ hàng hoang dại và cả các giống được gây đột biến nhân tạo.

 Thông thường, gen kháng bệnh có thể tìm thấy trên các cây sống sót tại nơi có áp lực bệnh cao hoặc nơi có bệnh nặng. Trong trường hợp không thể tìm thấy cây sống sót tại một nơi có bệnh nặng thì gen kháng có thể tìm ở loài cây tương ứng trồng ở nơi khác hoặc tìm trên họ hàng hoang dại. Một khả năng nữa để tìm nguồn gen kháng là tìm trên cây tại trung tâm khởi nguyên của tác nhân gây bệnh vì nếu cây đã tồn tại lâu dài cùng với sự có mặt của bệnh thì chứng tỏ chúng phải mang gen kháng. Tương tự nguồn gen kháng cũng có thể tìm thấy tại trung tâm khởi nguyên của cây.

* Thuyết Vavilop về đồng tiến hóa ký sinh – ký chủ

- Vùng khởi nguyên xuất sứ của một loài cây trồng là trung tâm hình thành phong phú nhất các loại, dạng, giống của loài cây trồng đó và cây dại. Nhưng ở đó cũng là trung tâm hình thành đầy đủ nhất các loài, dạng, chủng, nòi của ký sinh nhờ có quá trình tiến hoá và chọn lọc tự nhiên giữa KS và KC đã diễn ra ở đây lâu đời nhất

- Tính đa dạng cây trồng và ký sinh ở vùng này thể hiện qua quá trình biến dị mạnh mẽ  nhất, nhờ đó xuất hiện và tích luỹ nhiều giống có tính kháng cao và đồng thời xuất hiện và tích luỹ nhiều chủng ký sinh có tính độc cao.

- Quan hệ ký sinh và ký chủ đó cũng luôn biến động song cũng đảm bảo thế cân bằng bền giữa ký sinh và ký chủ tạo thuận lợi cho sự phát triển của cả 2 phía. Phía cây trồng có các đặc tính chống bệnh mới, đồng thời tạo cho ký sinh có độc tính mới để vựot qua tính kháng của cây trồng đó.

Trong mối quan hệ đồng tiến hoá đó thì tiến hoá khởi đầu chỉ thấy ở các loài cây ký chủ sau đó mới xuất hiện chủng ký sinh có tính độc mới để cùng tồn tại. Vậy chúng ta cần tìm kiếm nguồn gen kháng ở loài cây, giống cây ở vùng địa lý, xuất sứ khởi nguyên của chúng trên thế giới. Nguồn gen kháng đó là nguồn vật liệu nguyên thuỷ có triển vọng nhất trong lai tạo chọn lọc giống có tính miễn dịch và kháng sâu bệnh.

Câu 33. Vai trò của tính kháng ngang và tính kháng dọc trong tạo giống kháng

a. Tính kháng dọc

Tính kháng dọc thường do một hoặc một vài gen qui định nên còn được gọi là tính kháng đơn gen. Các gen này điều khiển các bước/sự kiện quan trọng trong quá trình phát triển bệnh do đó còn được gọi là các gen kháng chủ. Chỉ cần một hoặc một vài gen kháng chủ đã có thể tạo ra tính kháng. Tính kháng dọc mang tính đặc hiệu cao, nhằm vào một hoặc một số chủng tác nhân gây bệnh chỉ có thể chống được các chủng tương thích của tác nhân gây bệnh (nên còn được gọi là tính kháng đặc hiệu chủng). Di truyền tính kháng dọc tuân theo qui luật di truyền Mendel và quan hệ giữa gen ký chủ qui định tính kháng dọc và gen tương ứng của ký sinh là quan hệ gen-for-gen.

Cây mang tính kháng dọc nhìn chung kháng hoàn toàn tác nhân gây bệnh. Hơn nữa tính kháng dọc dễ thao tác hơn (phân lập, chuyển gen, đánh giá) trong các chương trình nhân giống nên thường được ưa thích hơn.

Tính kháng dọc, mặc dù rất hiệu quả chống lại các chủng tương ứng của tác nhân gây bệnh nhưng nhìn chung không bền vững. Tính kháng có thể bị mất nếu xuất hiện trong quần thể tác nhân gây bệnh các chủng mới không tương thích (từ nơi khác tới hoặc chủng bị kháng đột biến) có khả năng gây bệnh (xem thêm phần đồng tiến hóa R-Avr chương 4).

Tính kháng dọc, do vậy, có hiệu quả nhất khi:

- Được tổng hợp vào cây hàng năm dễ nhân giống như cây cốc hạt nhỏ (lúa mỳ, lúa...).

- Nhằm chống các loại tác nhân gây bệnh không sinh sản hoặc phát tán nhanh như nấm Fusarium, hoặc không đột biến nhanh như nấm Puccinia

- Bao gồm các gen kháng chủ đủ ”mạnh” để bảo vệ hoàn toàn và lâu dài cây ký chủ.

- Quần thể ký chủ không chỉ gồm 1 giống đồng nhất về di truyền được trồng trên một vùng rộng lớn.

Nếu một hoặc nhiều điều kiện trên không đáp ứng được thì tính kháng dọc sẽ nhanh chóng bị phá vỡ. Ngoài ra, tính kháng dọc, vì mức độ kháng rất cao nên cũng tạo áp lực chọn lọc lớn lên quần thể tác nhân gây bệnh dẫn tới dễ hình thành các chủng tác nhân gây bệnh mới.

Vì tính kháng dọc dễ bị bẻ gẫy bởi một chủng tác nhân gây bệnh độc mới hình thành nên nhiều chiến lược đã được áp dụng để khắc phuch nhược điểm này chẳng hạn như hỗn hợp giống hoặc tạo giống mang nhiều gen kháng chủ.

* Hỗn hợp giống (cultivar mixture). 

Trong trồng trọt, người ta có thể làm giảm sự phát triển của dịch bệnh bằng cách tạo ra sự đa dạng di truyền của một loài cây trồng. Phương pháp đơn giản nhất để tạo ra sự đa dạng này là hỗn hợp giống (cultivar mixture). Hỗn hợp giống là hỗn hợp các giống giống nhau về các đặc trưng nông học như thời gian sinh trưởng, phát triển, chất lượng và hình dạng hạt...nhưng khác nhau về gen kháng.

Hỗn hợp giống không chống hoàn toàn được bệnh nhưng làm giảm đáng kể tốc độ phát triển bệnh nhờ 4 cơ chế:

(i) Khoảng cách giữa các cây mẫn cảm tăng dẫn tới giảm tốc độ phát tán.

(ii) Tương tự, tạo ra rào cản vật lý là các cây của giống có tính kháng cao.

(iii) Tạo tính kháng tạo được do chủng không độc gây ra.

(iv) Thay đổi vi khí hậu theo hướng bất lợi cho bệnh. Vd. trong một thí nghiệm hỗn hợp giống giữa 1 lúa nếp (mẫn cảm với nấm đạo ôn, có chiều cao cao hơn 35-40 cm ) 1 giống lúa tẻ, số ngày với ẩm độ 100% vào 8 giờ sáng trên ruộng thí nghiệm đã giảm từ 20 ngày xuống còn khoảng 2 ngày và diện tích lá lúa nếp bị phủ sương đã giảm từ 84% xuống 36% (Zhu et al. 2005). Kết quả TLB trên giống lúa nếp đã giảm 90%.

Hỗn hợp giống đặc biệt có ý nghĩa đối với các bệnh hại phần trên mặt đất đa chu kỳ. Ví dụ: tại TQ, đến năm 2000, >3000 ha lúa tại tỉnh Vân Nam áp dụng phương pháp hỗn hợp giống để chống bệnh đạo ôn, TLB giảm 1 – 20 % .

* Tổng hợp nhiều gen kháng trong một giống. Người ta có thể lai các giống mang các gen kháng khác nhau để tạo ra giống chứa nhiều gen kháng. Thông thường tính kháng của các giống mang nhiều gen kháng chủ thường khá bền vững vì tác nhân gây bệnh không dễ đột biến đồng thời để bẻ gẫy nhiều gen kháng. Tuy nhiên, việc tạo giống mang nhiều gen kháng rất phức tạp.

b. Tính kháng ngang

Tính kháng ngang thường do nhiều gen qui định (nên còn được gọi là tính kháng đa gen), mỗi gen đóng góp một mức độ nhỏ vào tính kháng (nên còn được gọi là tính kháng gen thứ). Tính kháng ngang di truyền theo qui luật di truyền số lượng (nên còn được gọi là tính kháng số lượng).

Tính kháng ngang qui đinh tính kháng không hoàn toàn nhưng bền vững. Tính kháng ngang không bị bẻ gẫy nhanh và bất thình lình như tính kháng dọc. Tính kháng ngang liên quan đến nhiều quá trình dẫn tới phản ứng phòng thủ. Tính kháng ngang có mặt khắp nơi, trên cả cây trồng lẫn cây dại, chống tất cả các chủng của tác nhân gây bệnh kể cả những chủng độc nhất (nên còn được gọi là tính kháng không đặc hiệu).

Tính kháng ngang (tính kháng cơ bản) nhìn chung có mức độ kháng thấp và do đó tạo áp lực chọn lọc thấp lên quần thể tác nhân gây bệnh.

Câu 34. Lựa chọn gen kháng

Việc lựa chọn gen kháng hoặc yếu tố kháng căn cứ vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là mức độ đa dạng của quần thể tác nhân gây bệnh, đặc tính gây bệnh và tính độc của quần thể tác nhân gây bệnh đặc biệt là của các chủng, nòi chiếm ưu thế. Ngoài ra các gen được lựa chọn nên có khả năng kháng phổ rộng.

Ví dụ 1. Đối với bệnh đạo ôn ở miền Bắc Việt Nam,  các gen kháng Pi-1, Pi-2, Pi-33, Pi-ta2, Pi-k nên được sử dụng để tạo giống kháng nấm đạo ôn.

Ví dụ 2. Đối với bệnh bạc lá ở miền Bắc Việt Nam, vì các race 5, 3 và 2 chiếm ứu thế trong quần thể vi khuẩn bạc lá nên các gen kháng xa5, Xa7 và Xa21 nên được sử dụng.

Ví dụ 3. Đối với bệnh xoăn vàng lá cà chua do begomovirus, trong trường hợp sử dụng kỹ thuật kháng dựa vào RNA silencing, người ta nên chọn các vùng gen hoặc gen bảo thủ cho cả chi begomovirus, chẳng hạn như đầu C của gen CP hoặc đầu N của gen Rep để tạo các cấu trúc RNA silencing chuyển vào cây cà chua.

Câu 35. Đánh giá tính kháng.

Đối với chọn tạo giống kháng bệnh, việc đánh giá tính kháng luôn là phần quan trọng cả trong quá trình chọn lọc cá thể mang gen kháng sau lai hoặc chuyển gen và cả trong quá trình tìm kiếm vật liệu khởi đầu.

* Đánh giá tính kháng đúng yêu cầu 3 yếu tố

- Phương pháp lây nhiễm đúng

- Điều kiện lây nhiễm đúng

- Hệ thống tính điểm chính xác

Cả 3 yếu tố trên rất khác nhau tùy thuộc đối tượng nghiên cứu (cả cây và tác nhân gây bệnh)

Ví dụ 1. Đối với bệnh bạc lá. Phương pháp lây nhiễm là dùng kéo nhúng vào dung dịch vi khuẩn và cắt trên đỉnh lá lúa. Phản ứng kháng nhiễm sẽ được đánh giá căn cứ chiều dài vết bệnh sau 18 ngày.

Ví dụ 2. Đối với bệnh xoăn vàng lá. Phương pháp lây nhiễm là sử dụng vector bọ phấn hoặc dùng một kỹ thuật gọi là agroinoculation. Phản ứng kháng nhiễm sẽ được đánh giá dùng thang phân cấp thứ tự (dựa theo mức độ biểu hiện triệu chứng) như trình bày ở bảng dưới

Thang phân cấp bệnh xoăn vàng ngọn cà chua

Cấp

Mô tả

0

Không triệu chứng

1

Biến vàng rất nhẹ ở mép lá chét trên lá đỉnh

2

Biến vàng nhẹ và đỉnh lá chét cuốn nhẹ

3

Biến vàng nhiều, lá cuốn và cuốn và cng thành hình thía. Cây vẫn sinh trưởng

4

Biến vàng và lùn rất dữ dội; lá cuốn và cong lại thành hình thìa rất rõ. Cây ngừng sinh trưởng.

MỤC LỤC

Câu 1. Các khái niệm cơ bản về tính kháng bệnh thực vật.1

Câu 2. Đặc điểm chung của tác nhân gây bệnh cây: Quá trình xâm nhập của các tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào. Dinh dưỡng ký sinh của tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào. Độc tố của tác nhân gây bệnh, Độc tố ko chọn lọc ký chủ (NST) và các độc tố chọn lọc ký chủ (HST)3

1. Đặc điểm xâm nhập của nấm, vi khuẩn và virus vào trong cây. Đặc điểm dinh dưỡng gây bệnh của mỗi nhóm?. 3

a. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh của nấm:3

b. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh của vi khuẩn:5

c. Đặc điểm xâm nhập và dinh dưỡng gây bệnh virus:5

2. Đặc điểm độc tố của tác nhân gây bệnh :6

3. Độc tố ko chọn lọc ký chủ:6

4. Độc tố chọn lọc ký chủ:7

Câu 3. Khái niệm tính gây bệnh, tính độc của tác nhân gây bệnh. 7

Câu 4. Phân loại tác nhân gây bệnh theo tính ký sinh. 8

Câu 5. Phân loại tác nhân gây bệnh theo phương thức sử dụng nguồn dinh dưỡng. 9

a. Nhóm sinh dưỡng.9

b. Nhóm hoại dưỡng. 10

c. Bán sinh dưỡng.10

Câu 6. Phòng thủ thụ động. (Câu 7 + Câu 8)10

Câu 7. Phòng thủ nhờ rào cản vật lý có sẵn.10

Câu 8. Phòng thủ nhờ các chất hóa học có sẵn:11

Câu 9. Phòng thủ chủ động (Câu 10 + Câu 11)12

Câu 10. Phòng thủ chủ động nhờ hình thành cấu trúc bảo vệ của cây?. 12

Câu 11. Phòng thủ chủ động sinh hóa của cây?. 14

Câu 12. Khái niệm sự chết tế bào được lập trình (PCD), apoptosis và phản ứng siêu nhạy (HR)?  17

* Sự chết tế bào được lập trình (PCD)17

* Apoptosis:17

* Phản ứng siêu nhạy-HR.. 18

Câu 13. Khái niệm gen đối gen, đặc điểm quan hệ gen-đối-gen: Đặc điểm của gen ko độc (gen Avr) của ký sinh. Định nghĩa gen Avr, đặc điểm gen Arv. Gen kháng R và protein R.19

* Khái niệm:19

* Đặc điểm quan hệ gen-đối-gen:19

* Đặc điểm của gen ko độc (gen Avr) của ký sinh:20

* Định nghĩa gen Avr:20

* Đặc điểm.. 20

* Gen kháng R và protein R:22

* Phân loại protein kháng R:22

Câu 14. Tương tác giữa protein R và Avr (Câu 15+ Câu 16)23

Câu 15. Tương tác trực tiếp-mô hình Elicitor-Receptor. 23

Câu 16. Tương tác gián tiếp-mô hình bảo vệ (Guard model)24

Câu 18. Sự đa dạng trong quần thể tác nhân gây bệnh. Nấm, vi khuẩn, virus, các yếu tố điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh.25

Câu 19. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen kháng R. Đồng tiến hóa trong sản xuất nông nghiệp, Đồng tiến hóa trong hệ sinh tahis tự nhiên.27

Câu 20. Quan hệ giữa vi sinh vật và cây. 29

Câu 21. Miễn dịch bẩm sinh ở thực vật30

Câu 22. Tính kháng ko đặc hiệu (Non-specific resistance)30

Câu 23. Tính kháng đặc hiệu (tính kháng đặc hiệu giống cây/chủng tác nhân gây bệnh)32

Câu 24. Các receptor nhận biết PAMP/MAMP/Avr protein. 32

Câu 25. Nhận biết và tương tác giữa các protein R và PAMP/MAMP/Effector. 32

Câu 26. Dẫn truyền tín hiệu trong miễn dịch thực vật: Đường hướng salicyclic acid (SA), Đường hướng dẫn truyền JA và ET.. 33

* Giao tiếp chéo (cross talk) giữa đường hướng SA và JA/ET.34

Câu 28. Tính kháng tập nhiễm hệ thống SAR.. 34

Câu 30. R và Avr protein nấm đạo ôn, đa dạng của nấm và bộ giống chỉ thị; Quần thể nấm Pyricularia oryzae tại miền Bắc Việt Nam. Đa dạng của quần thể tác nhân gây bệnh. Đa dạng của tác nhân gây bệnh.36

a. R và Avr proteins. 36

b. Đa dạng của nấm/ Bộ giống chỉ thị36

c. Quần thể nấm P. oryzae tại miền Bắc Việt Nam.. 37

d. Đa dạng của tác nhân gây bệnh. 37

* Một số ví dụ về mức độ đa dạng:38

Câu 32. Nguồn gen kháng. 38

* Thuyết Vavilop về đồng tiến hóa ký sinh – ký chủ. 38

Câu 33. Vai trò của tính kháng ngang và tính kháng dọc trong tạo giống kháng. 39

Câu 34. Lựa chọn gen kháng. 41

Câu 35. Đánh giá tính kháng.41