CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG BỆNH CÂY

Chia sẻ: Hoàng Nam Phương | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:114

0
301
lượt xem
181
download

CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG BỆNH CÂY

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Có rất nhiều định nghĩa về công nghệ sinh học (biotechnology) nhưng nhìn chung CNSH có thể được hiểu theo 2 nghĩa. Theo nghĩa rộng, điển hình như định nghĩa trong Công ước về Đa dạng Sinh học của Liên hiệp quốc (1992) thì CNSH là “Bất kỳ ứng dụng công nghệ sử dụng các hệ thống sinh học, các sinh vật sống hoặc các thành phần của chúng nhằm tạo ra hoặc biến đổi các sản phẩm hoặc qui trình cho một mục đích đặc biệt” “any technological application that uses biological systems, living organisms, or derivatives thereof, to make or modify products or processes...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG BỆNH CÂY

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA NÔNG HỌC CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG BỆNH CÂY (Bài giảng) Biên soạn TS. Hà Viết Cường 2009 Mô tả môn học Ứng dụng công nghệ sinh học trong nghiên cứu: 1. Sự đa dạng của tác nhân gây bệnh 2. Tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây 3. Chẩn đoán tác nhân gây bệnh 4. Phòng chống tác nhân gây bệnh Các nhóm tác nhân gây bệnh được lựa chọn là nấm/nấm trứng, vi khuẩn và virus. Các kiến thức trên sẽ được minh họa dựa trên các tác nhân gây bệnh/cây ký chủ quan trọng (hoặc là mô hình nghiên cứu phổ biến trên thế giới; hoặc có ý nghĩa kinh tế đối với Việt Nam). Mục tiêu Sinh viên có khả năng hiểu và vận dụng các kiến thức của môn học trong nghiên cứu bệnh cây đặc biệt trong chẩn đoán, nghiên cứu đa dạng và phòng chống. Học phần tiên quyết • Bệnh cây đại cương (hoặc Bệnh cây Nông nghiệp) • Công nghệ sinh học thực vật
  2. MỤC LỤC Giới thiệu CNSH trong bệnh cây......................................................................................7 1.1.Khái niệm về công nghệ sinh học.............................................................................7 1.2.Công nghệ sinh học trong bệnh cây ..........................................................................7 Chương 1. Di truyền quần thể trong bệnh cây.............................................8 1.Sinh học quần thể của tác nhân gây bệnh...................................................................8 2. Tiến hóa............................................................................................................................8 2.1. Tiến hóa ....................................................................................................................8 2.2. Sinh học tiến hóa: Di truyền quần thể và phả hệ trong bệnh cây..........................9 3.Năm lực tiến hóa (Five Evolutionary Forces)..............................................................10 4.Đột biến...........................................................................................................................10 4.1.Định nghia.................................................................................................................10 4.2.Vai trò........................................................................................................................10 4.3.Một mô hình đột biến đơn giản...............................................................................11 4.4.Đột biến trong tác nhân gây bệnh cây.....................................................................12 4.5.Đột biến và chiến lược tạo giống kháng................................................................13 5.Trôi dạt di truyền..........................................................................................................13 5.1.Định nghĩa.................................................................................................................13 5.2.Đặc điểm..................................................................................................................13 5.3.Nguyên nhân..............................................................................................................13 5.4.Đo trôi dạt di truyền.................................................................................................14 5.5.Trôi dạt di truyền làm giảm đa dạng di truyền và dẫn tới phân chia quần thể....14 5.6.Trôi dạt di truyền trong tác nhân gây bệnh cây.......................................................15 5.7.Ví dụ trôi dạt di truyền trong bệnh cây...................................................................16 6.Giao lưu gene và kiểu gen (Gene and Genotype Flow)..............................................16 6.1.Định nghĩa. ...............................................................................................................16 6.2.Đặc điểm..................................................................................................................16 2
  3. 6.3.Giao lưu gen (gene flow) và giao lưu kiểu gen (genotype flow).............................16 6.4.Phân chia quần thể và giao lưu gen.........................................................................17 6.5.Ví dụ giao lưu gen trong bệnh cây...........................................................................18 6.6.Mối liên hệ giữa trôi dạt di truyền và giao lưu gen................................................19 6.7.Khái niệm siêu quần thể và tác nhân gây bệnh.......................................................19 7.Hệ thống sinh sản/ghép cặp (Reproductive/Mating Systems)..................................21 7.1.Đánh giá cấu trúc di truyền trong quần thể.............................................................21 7.2.Hệ thống sinh sản và ghép cặp của các tác nhân gây bệnh cây.............................22 7.3.Đa dạng gen và đa dạng kiểu gen............................................................................24 7.3.1Đa dạng gen ......................................................................................................24 7.3.2Đa dạng kiểu gen...............................................................................................25 7.3.3Ví dụ đo đa dạng gen và đa dạng kiểu gen......................................................25 8.Chọn lọc tự nhiên..........................................................................................................27 8.1.Khái niệm..................................................................................................................27 8.2.Hai mô hình chọn lọc...............................................................................................27 9. Tương tác giữa các lực tiến hóa và cấu trúc di truyền của quần thể tác nhân gây bệnh................................................................................................................................28 9.1.Tương tác giữa đột biến và chọn lọc......................................................................28 9.2.Tương tác giữa tái tổ hợp và chọn lọc....................................................................29 9.3.Tương tác giữa trôi dạt di truyền, giao lưu kiểu gen và chọn lọc.........................29 9.4.Tương tác giữa chọn lọc và giao lưu kiểu gen.......................................................29 9.4.1Tương tác giữa tái tổ hợp và giao lưu gen........................................................30 9.5.Ứng dụng di truyền quần thể để đánh giá các nguy cơ do tiến hóa của tác nhân gây bệnh...............................................................................................................................31 Chương 2. Lựa chọn vùng gen của tác nhân gây bệnh .............................34 1.Bộ gen của tác nhân gây bệnh......................................................................................34 1.1.Bộ gen viroid.............................................................................................................35 1.2.Bộ gen virus .............................................................................................................35 1.3.Bộ gen vi khuẩn và phytoplasma.............................................................................36 1.4. Bộ gen nấm .............................................................................................................37 2.Chọn vùng gen nghiên cứu............................................................................................37 2.1.Chọn vùng gen virus.................................................................................................37 2.2.DNA ribosome .........................................................................................................37 2.2.1Cấu trúc và chức năng RNA ribosome..............................................................37 2.2.2Vai trò của rDNA trong phân loại và nghiên cứu đa dạng và chẩn đoán........38 2.3.Gen mã hóa................................................................................................................39 2.4.Các chuỗi lặp............................................................................................................39 2.4.1Các chuỗi lặp liền kề (tandem repetitive sequences).......................................39 2.4.2Các chuỗi lặp phân bố rải rác (Dispersed repetitive sequences)......................40 2.5.DNA ti thể (mitochondrial DNA).............................................................................40 Chương 3. Các kỹ thuật CNSH trong nghiên cứu bệnh cây......................41 1.Các marker di truyền.....................................................................................................41 1.1.Định nghĩa ................................................................................................................41 1.2.Phân loại...................................................................................................................41 2.Các loại marker phân tử................................................................................................41 3.Kỹ thuật dựa trên lai phân tử: RFLP.........................................................................42 3.1.RFLP: các chú ý về kỹ thuật....................................................................................42 3.1.1RFLP: Các ưu điểm chính.................................................................................43 3.1.2RFLP: Các hạn chế chính..................................................................................43 4.Các kỹ thuật dựa trên PCR..........................................................................................44 3
  4. 5.Các kỹ thuật dựa trên PCR dùng mồi tùy ý: RAPD, AP-PCR và DAF..................44 5.1.RAPD........................................................................................................................44 5.1.1RAPD: nhược điểm ..........................................................................................45 5.2.DAF...........................................................................................................................45 5.3.AP-PCR.....................................................................................................................45 6.Kỹ thuật dựa trên PCR dùng mồi tùy ý: AFLP ........................................................45 6.1.AFLP: các bước........................................................................................................45 6.2. AFLP: ưu điểm........................................................................................................46 6.3.AFLP: nhược điểm ..................................................................................................46 7.Kỹ thuật dựa trên PCR dùng mồi tùy ý: ISSR .........................................................46 8.Kỹ thuật dựa trên PCR dùng mồi đặc hiêu: SSR (=Microsatellites)......................47 8.1.Phân loại microsatellite.............................................................................................47 8.2.Đặc điểm di truyền của microsatellite....................................................................47 8.3.Cơ chế tạo đột biến của microsatellite...................................................................48 8.4.Phân bố của microsatellite........................................................................................49 8.5.Trình tự phân tích microsatellite...............................................................................49 8.6.Microsattelite: ưu điểm chính...................................................................................52 8.7.Microsattelite: nhược điểm chính............................................................................52 9. Marker EST (expressed sequence tags).......................................................................52 10. Kỹ thuật CAPS ...........................................................................................................53 11. Kỹ thuật SNP ..............................................................................................................53 12.Kỹ thuật rep-PCR........................................................................................................54 13.Tóm tắt các kỹ thuật...................................................................................................54 Chương 4. Phân tích kết quả dựa vào số liệu băng điện di......................56 1.Giới thiệu........................................................................................................................56 2.Các bước chính trong phân tích đa dạng dựa trên băng điện di.............................57 2.1.Mô tả sự đa dạng......................................................................................................57 2.2.Tính toán mối quan hệ giữa các đơn vị được phân tích ở bước trên.....................58 2.3.Biểu diễn mỗi quan hệ............................................................................................58 3.Lượng hóa mức đa dạng: đo đa dạng trong quần thể.............................................58 3.1.Dựa trên số lượng biến dị........................................................................................58 3.1.1Mức đa hình hay tỷ lệ đa hình (Pj)....................................................................58 3.1.2Tỷ lệ các locus đa hình (P)................................................................................59 3.1.3Số allele trung bình trên locus............................................................................59 3.2.Dựa vào tần số biến dị.............................................................................................59 3.2.1Số lượng allele hiệu quả (Ae)..........................................................................59 3.2.2Mức dị hợp tử kỳ vọng trung bình (H = mức đa dạng di truyền Nei (D)........60 3.3.Ví dụ tính đa dạng di truyền trong quần thể dùng 1 marker đồng trội..................61 3.4.Ví dụ..........................................................................................................................61 3.4.1Các bước tính (bảng dưới)................................................................................61 3.5.Ví dụ tính đa dạng di truyền trong quần thể dùng 1 marker trội...........................63 3.5.1Ví dụ...................................................................................................................63 3.5.2Các bước tính (bảng dưới)................................................................................63 4. Lượng hóa mối quan hệ di truyền: khoảng cách di truyền (nghĩa rộng)............64 4.1.Đánh giá các mối quan hệ dựa theo khoảng cách hình học....................................65 4.1.1Các phương pháp phổ biến tính hệ số tương đồng S (similarity) dựa trên biến nhị thức (0, 1)....................................................................................................................65 5.Phần mềm.......................................................................................................................66 Chương 5. Phân tích đa dạng, phân loại dựa trên trình tự DNA..............66 1.Các thuật ngữ/khái niệm..............................................................................................66 4
  5. 2.Giải trình tự chuỗi DNA (sequencing).........................................................................67 2.1.Giới thiệu .................................................................................................................67 2.2.Sequencing dùng BigDye Terminator.......................................................................67 3.Tìm kiếm chuỗi có quan hệ gần trên ngân hàng gen................................................68 3.1.Ngân hàng gen (Genbank) và NCBI.........................................................................68 3.2.Tìm kiếm chuỗi DNA trên GenBank bằng phần mềm BLAST.............................68 4.So sánh trình tự ..............................................................................................................69 4.1.Căn trình tự đa chuỗi bằng phần mềm ClustalX....................................................72 4.2.Xác định mức đồng nhất (sequence identity) bằng phần mềm Bioedit.................72 4.3.Xác định khoảng cách di truyền (genetic distance).................................................73 4.3.1Khái niệm khoảng cách di truyền phân tử........................................................73 4.3.2Mô hình thay thế nucleotide (subtituation model). ...........................................73 4.3.3Ví dụ tính khoảng cách di truyền dựa trên 5 chuỗi 16S RNA vi khuẩn dùng phần mềm MEGA.............................................................................................................75 5.Xây dựng cây phả hệ.....................................................................................................76 5.1.Maximum parsimony................................................................................................77 5.2.Maximum likelyhood................................................................................................78 5.3.Phương pháp khoảng cách (Distance)......................................................................78 5.4.Ví dụ xây dựng cây phả hệ của chuỗi các chuỗi 16S RNA vi khuẩn dùng phần mềm MEGA........................................................................................................................81 Chương 6. Công nghệ microarray (chip gen)...............................................82 1.Giới thiệu........................................................................................................................82 2.Các loại microarray DNA .............................................................................................83 2.1.Microarray với các dò oligonucleotide ngắn............................................................83 2.2.Microarrays với dò oligonucleotide dài....................................................................83 2.3.Microarrays với dò cDNA........................................................................................84 3.Các phương pháp cố định dò trong microarray DNA ..............................................84 3.1.Tổng hợp trực tiếp ngay trên giá đỡ (in situ)..........................................................84 3.2.Tạo microarray bằng spotting..................................................................................84 4.Gán nhãn dò.....................................................................................................................84 4.1.Gán nhãn trực tiếp....................................................................................................85 4.2.Gán nhãn gián tiếp....................................................................................................85 4.3.Gãn nhãn dùng dendrimer.........................................................................................85 5.Vật liệu để cố định dò..................................................................................................85 6.Các phương pháp gắn dò vào lam kính.......................................................................86 7.Ứng dụng microarray DNA...........................................................................................86 7.1.Nghiên cứu biểu hiện gen “gene expression profiling”...........................................86 8.Chẩn đoán và nghiên cứu kiểu gen (genome typing).................................................87 Chương 7. Công nghệ RNA interference ......................................................88 1.Lịch sử phát hiện ..........................................................................................................88 1.1.Hiện tượng đồng ức chế.........................................................................................88 1.2.Hiện tượng chế ngự (quelling)................................................................................88 1.3.Hiện tượng câm gen cảm ứng bởi virus..................................................................88 1.4.RNA Interferrence.....................................................................................................89 2.Small interfering RNA (siRNA) và microRNA (miRNA)............................................89 2.1.miRNAs - khám phá..................................................................................................89 2.2.miRNAs - định nghĩa................................................................................................89 2.3.miRNAs – nguồn gốc...............................................................................................89 2.4.miRNAs – sinh tổng hợp..........................................................................................90 2.5.siRNAs - khám phá...................................................................................................90 5
  6. 2.6.siRNAs - định nghĩa..................................................................................................90 2.7.siRNAs – nguồn gốc.................................................................................................90 2.8.siRNAs – sinh tổng hợp............................................................................................90 3.So sánh miRNA và siRNA..............................................................................................91 3.1.Giống nhau................................................................................................................91 3.1.1Khác nhau...........................................................................................................91 4.Công nghệ RNAi trong tạo giống kháng bệnh virus.................................................92 4.1.Giới thiệu..................................................................................................................92 4.2.Các đặc điểm chính trong công nghệ RNAi dựa trên siRNA.................................92 4.2.1Thiết kế cấu trúc chuyển gen...........................................................................92 4.2.2Chọn chuỗi gen virus.........................................................................................93 5.Ví dụ công nghệ RNAi kháng bệnh virus...................................................................93 5.1.Tạo cây chuyển gen kháng PVY thông qua RNA silencing....................................93 5.1.1Giới thiệu. .........................................................................................................93 5.1.2Thiết kế cấu trúc chuyển gen (hình) và chuẩn bị dòng vi khuẩn chuyển gen 94 5.1.3Biến nạp cấu trúc chuyển gen vào cây khoai tây.............................................94 5.1.4Các phân tích chính cây chuyển gen..................................................................95 5.2.Tạo cây chuyển gen kháng TYLCV thông qua RNA silencing...............................96 5.2.1Giới thiệu. .........................................................................................................96 5.2.2Thiết kế cấu trúc chuyển gen (hình) và chuẩn bị dòng vi khuẩn chuyển gen 96 5.2.3Biến nạp cấu trúc chuyển gen vào cây khoai tây.............................................98 5.2.4Các phân tích chính cây chuyển gen..................................................................98 6.Sử dụng công nghệ microRNA trong phòng chống bệnh virus...............................99 6.1.Dùng công nghệ miRNA tạo tính kháng CMV .......................................................99 6.1.1Giới thiệu ..........................................................................................................99 6.1.2Thiết kế cấu trúc miRNA chuyển gen .............................................................99 6.1.3Chuyển gen vào cây thuốc lá...........................................................................101 6.1.4Lây nhiễm nhân tạo ........................................................................................101 6.1.5Đánh giá cây chuyển gen được lây nhiễm CMV dựa trên triệu chứng .......101 6.1.6Phân tích miRNA trên cây chuyển gen ...........................................................101 6.1.7Phân tích RNA của CMV trên cây lây nhiễm ................................................102 6.1.8 Phân tích virion CMV trên cây lây nhiễm......................................................102 Chương 8. PCR trong chẩn đoán tác nhân gây bệnh................................103 1.Tóm tắt kỹ thuật..........................................................................................................103 2.Thiết kế và lựa chọn mồi (primer)...........................................................................103 2.1.Tự thiết kế mồi......................................................................................................104 2.1.1Các chú ý khi thiết kế mồi..............................................................................104 2.1.2Thiết kế mồi chung (degenerate primer).........................................................105 2.1.3Phần mềm........................................................................................................105 2.2.Ví dụ mồi chung.....................................................................................................105 Chương 9. Công nghệ huyết thanh học trong chẩn đoán .......................107 1.Cơ sở của phản ứng huyết thanh học......................................................................107 2.3.Các khái niệm.........................................................................................................107 2.3.1Kháng nguyên (antigen):..................................................................................107 2.3.2Nhóm quyết định kháng nguyên (epitope).......................................................107 2.3.3Kháng nguyên của tác nhân gây bệnh cây......................................................107 2.3.4Kháng thể (antibody) ......................................................................................107 2.4.Kháng thể đơn dòng và kháng thể đa dòng...........................................................108 3.Sản xuất kháng thể đơn dòng....................................................................................109 3.1.Các bước chính để sản xuất kháng thể đơn dòng gồm........................................109 6
  7. 3.2.Qui trình tạo kháng thể đơn dòng..........................................................................110 3.2.1Gây miễn dịch trên thỏ....................................................................................110 3.2.2Dung hợp (lai)..................................................................................................110 3.2.3Sản xuất...........................................................................................................111 4.Kỹ thuật chẩn đoán bằng ELISA..............................................................................112 4.1.Vật liệu chính cho ELISA......................................................................................112 4.2.Các kỹ thuật ELISA...............................................................................................112 4.2.1Kỹ thuật ELISA trực tiếp kiểu kẹp kép kháng thể (DAS-ELISA)...............113 4.2.2Phản ứng ELISA gián tiếp kiểu bẫy kháng nguyên trước (PTA-ELISA)....113 Giới thiệu CNSH trong bệnh cây 1.1. Khái niệm về công nghệ sinh học Có rất nhiều định nghĩa về công nghệ sinh học (biotechnology) nhưng nhìn chung CNSH có thể được hiểu theo 2 nghĩa. Theo nghĩa rộng, điển hình như định nghĩa trong Công ước về Đa dạng Sinh học của Liên hiệp quốc (1992) thì CNSH là “Bất kỳ ứng dụng công nghệ sử dụng các hệ thống sinh học, các sinh vật sống hoặc các thành phần của chúng nhằm tạo ra hoặc biến đổi các sản phẩm hoặc qui trình cho một mục đích đặc biệt” “any technological application that uses biological systems, living organisms, or derivatives thereof, to make or modify products or processes for specific use”. Một cách đơn giản, CNSH là công nghệ được áp dụng trên một đối tượng sinh vật. Hiện nay, CNSH thường được hiểu theo nghĩa hẹp hơn nhiều. Nó thường được xem như các công nghệ liên quan đến sinh học phân tử chẳng hạn công nghệ AND, công nghệ chuyển gen, công nghệ nuôi cấy mô và tế bào...Theo định nghĩa của FAO: CNSH là kiến thức liên quan đến khía cạnh phân tử của sinh vật và tế bào của chúng. 1.2. Công nghệ sinh học trong bệnh cây Bệnh cây học (phytopathology = plant patho logy) nghiên cứu 4 lĩnh vực chính: 1. Tác nhân gây bệnh (pathogens): nghiên cứu đặc điểm hình thái, sinh học, phân loại, di truyền, tiến hóa của tác nhân gây bệnh. 2. Tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây ký chủ (plant-pathogen interaction): nghiên cứu cơ chế tấn công của tác nhân gây bệnh và cơ chế phòng thủ của cây, hậu quả của mối tương tác này đối với cây (các biến đổi cấu trúc và chức năng của tế bào và mô cây bị bệnh). 3. Dịch bệnh học (phytopathological epidemiology): nghiên cứu động thái phát triển của bệnh cây theo không gian và thời gian, các yếu tố của cây ký chủ, môi trường , tác nhân gây bệnh và con người ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của bệnh. 4. Phòng chống: nghiên cứu các nguyên lý phòng chống, các biện pháp phòng chống. Công nghệ sinh học trong bệnh cây, do vậy, cũng nhằm vào 4 lĩnh vực trên. Các nghiên cứu đa dạng, tiến hóa của các nhóm tác nhân gây bệnh chủ yếu dựa vào các phân tích phân tử. Nhiều nhóm tác nhân gây bệnh, chẳng hạn virus, viroid, phytoplasma, chỉ có thể được xác định, phân loại chính xác khi phân tích bộ gen của chúng. Xác định đầy đủ 7
  8. thành phần, nguồn gốc, mức độ đa dạng của tác nhân gây bệnh luôn là thông tin đầu tiên và quan trọng đối với bất kỳ chiến lược phòng chống nào. Sự tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây thường rất phức tạp với sự tham gia của nhiều gen ở cả 2 phía. Hiện nay, một công nghệ dựa trên lai phân tử gọi là công nghệ microarray (chip gen) có thể xác đinh sự biểu hiện đồng thời của hàng chục nghìn gen chỉ trên một lam kính. Trong lĩnh vực phòng chống bệnh, có vô số ví dụ cho thấy vai trò của CNSH. Các giống kháng bệnh có thể đươc tạo ra dùng 2 chiến lược chính: (i) dùng gen kháng có nguồn gốc từ cây. Đây là chiến lược áp dụng cho mọi đối tượng dịch hại. (ii) dùng gen từ tác nhân gây bệnh để tạo tính kháng (tính kháng có nguồn gốc từ bệnh). Đây là chiến lược áp dụng cho các bệnh virus. Vai trò của CNSH thể hiện ở các kỹ thuật phân lập gen kháng, thiết kế các cấu trúc chuyển gen, chuyển gen, lai tạo với sự trợ giúp của các marker phân tử. Sử dụng VSV đối kháng hoặc các sản phẩm có nguồn gốc VSV để phòng chống bệnh cũng có thể được xem là ứng dụng CNSH (theo nghĩa rộng) trong bệnh cây. Chương 1. Di truyền quần thể trong bệnh cây Mục tiêu của chương này là cung cấp các khái niệm cơ bản trong di truyền quần thể. Các khái niệm này sẽ rất cần thiết giúp sinh viên có khả năng phân tích kết quả sau khi thực hiện các thí nghiệm dựa trên công cụ CNSH khi đánh giá đa dạng của tác nhân gây bệnh cây. 1. Sinh học quần thể của tác nhân gây bệnh Sinh học quần thể nghiên cứu các quá trình sinh học ảnh hưởng tới quần thể sinh vật. Sinh học quần thể, do vậy, cũng là một lĩnh vực nghiên cứu của bệnh cây học vì bệnh cây chỉ hình thành dưới tác động của 1 quần thể tác nhân gây bệnh. Một vết bệnh trên lá sẽ không có ý nghĩa về mặt kinh tế lẫn sinh thái. Một vụ dịch gây thiệt hại kinh tế lớn thường do vô số các sự kiện xâm nhiễm gây bệnh liên quan đến toàn thể quần thể ký sinh và ký chủ. Để phòng chống bệnh, người ta phải xây dựng các biện pháp phòng chống nhằm vào toàn bộ quần thể tác nhân gây bệnh. Như vậy, hiểu được sinh học quần thể tác nhân gây bệnh là bước quan trọng nhằm phát triển các chiến lược phòng chống bệnh hiệu quả. Một quần thể là một tập hợp các cá thể cùng loài chiếm một không gian địa lý nhất định và thể hiện sự liên tục về mặt sinh sản từ thế hệ này sang thế hệ khác. Mối tương tác sinh thái và sinh sản của các cá thể trong cùng quần thể, do vậy, phổ biến hơn so với mối tương tác của các cá thể thuộc các quần thể khác nhau. Di truyền quần thể tập trung vào quá trình dẫn tới trao đổi di truyền hay tiến hóa trong quần thể theo thời gian và không gian. Phần lớn các nghiên cứu di truyền quần thể dựa trên qui mô thời gian dài (ví dụ qua nhiều mùa vụ hoặc qua nhiều thế hệ tác nhân gây bệnh) và không gian lớn (ví dụ qui mô toàn cầu cho các đối tượng bệnh có thể phát tán xa). Di truyền quần thể giải quyết chủ yếu các các quá trình di truyền như đột biến, trôi dạt di truyền, giao lưu gen, hệ thống sinh sản/ghép cặp và chọn lọc tự nhiên. 2. Tiến hóa 2.1. Tiến hóa Tiến hóa là một quá trình gồm 2 bước. Đầu tiên là quá trình đột biến gen hoặc tái tổ hợp di truyền xảy ra và tạo nên sự đa dạng di truyền trong quần thể. Tiếp theo, các quá trình như chọn lọc hoặc trôi dạt di truyền sẽ tác động là thay đổi tần số allele trong quần thể. Tiến hóa, như vậy, hình thành từ sự thay đổi tần số allele trong quần thể. Ví dụ, khi một quần thể cây ký chủ trải qua một sự gia tăng trong tần số các allele kháng hình 8
  9. thành từ sự chọn lọc các cá thể kháng thì quần thể cây này đã tiến hóa lên một mức độ kháng cao hơn. Tương tự, khi một quần thể tác nhân gây bệnh không độc trải qua một sự gia tăng trong tần số allele độc nhờ quá trình chọn lọc các cá thể độc có khả năng thoát khỏi sự nhận biết của các allele kháng của cây ký chủ kháng bệnh thì người ta gọi quần thể tác nhân gây bệnh này đã tiến hóa tới một mức độ độc cao hơn. 2.2. Sinh học tiến hóa: Di truyền quần thể và phả hệ trong bệnh cây Sinh học tiến hóa là một ngành nghiên cứu quá trình dẫn tới thay đổi di truyền hoặc tiến hóa của quần thể hoặc của loài. Di truyền quần thể và phả hệ học là 2 ngành phụ trong sinh học tiến hóa. Di truyền quần thể nghiên cứu các quá trình vi tiến hóa (microevolution) xảy ra trong loài nhằm giải thích sự phân bố biến dị di truyền bên trong các quần thể hoặc giữa các quần thể của cùng loài. Phả hệ học nghiên cứu các quá trình đại tiến hóa (macroevolution) xảy ra trong loài nhằm giải thích mối quan hệ phả hệ (quan hệ tổ tiên – con cháu) dẫn tới sự phân bố của loài hiện tại theo không gian và thời gian. Phả hệ học (Phylogenetics) (Đại tiến hóa =  Sin h Biệt hóa loài  họ (Speciation) c  Di truyền quần thể  (Population genetics) Hình 1. Mối quan hệ giữa phả hệ học và di truyền quần thể trong quá trình biệt hóa loài Bệnh cây học nghiên cứu sinh học tiến hóa vì (1) quần thể tác nhân gây bệnh thường tiến hóa nhằm phản ứng lại các biện pháp phòng chống và (2) người ta thường không rõ liệu một quần thể tác nhân gây bệnh mới hình thành và thay thế một quần thể đang tồn tại trước đó là một quần thể chuyển ký chủ hay là một loài mới hoàn toàn. Phân tích phả hệ sẽ phân biệt được các loài dựa trên mối quan hệ tổ tiên – con cháu từ các tổ tiên chung; trong khi đó di truyền quần thể xác định mối quan hệ giữa các quần thể của cùng một loài. Ranh giới giữa di truyền quần thể và phả hệ học là sự biệt hóa loài (speciation) tức là quá trình hình thành loài mới. Sự biệt hóa loài có thể xảy ra trong cùng một vùng địa lý, hoặc tại các vùng địa lý cách xa nhau hoặc tại các vùng địa lý lân cận. Sự biệt hóa loài có thể xuất hiện nhanh hơn đối với tác nhân gây bệnh cây so với các sinh vật khác do hậu quả của sự đồng tiến hóa. Phả hệ học và di truyền quần thể sử dụng các các công cụ phân tích di truyền khác nhau. Phân tích phả hệ sử dụng các đặc điểm đặc trưng cho loài nhằm xác định các đơn vị phân loại dựa trên 2 phương pháp là phương pháp phân nhánh (cladistics) và phương pháp kiểu hình (phenetics). Di truyền quần thể sử dụng các tần số allele tại các vị trí đa hình (polymorphic loci) nhằm xác định cấu trúc di truyền và ranh giới quần thể. Cả 2 lĩnh vực nghiên cứu trên đều nhằm làm sáng tỏ quá trình dẫn tới thành phần quần thể và loài hiện tại. 9
  10. Trong quá trình xác định nguồn gốc của các loài tác nhân gây bệnh mới, người ta có tể phải sử dụng các công cụ nghiên cứu của cả phả hệ học và di truyền quần thể. 3. Năm lực tiến hóa (Five Evolutionary Forces) Trong hệ sinh thái nông nghiệp, chúng ta quan tâm liệu một biện pháp phòng chống (chẳng hạn dùng một gen kháng, phun một loại thuốc hóa học, áp dụng một chương trình kiểm dịch mới, luân canh cây trồng…) sẽ ảnh hưởng tới di truyền quần thể hay tiến hóa của một quần thể tác nhân gây nào đó như thế nào. Trong di truyền quần thể, nhìn chung, người ta xét 5 lực tiến hóa có ảnh hưởng tới quần thể tác nhân gây bệnh. Các lực này là: − Đột biến (mutation) − Trôi dạt di truyền (genetic drift) − Giao lưu gen/kiểu gen (gene/genotype flow) − Hệ thống sinh sản/ghép cặp (reproductive/mating type systems) − Chọn lọc tự nhiên (natural selection) Nếu không có đột biến, trôi dạt di truyền, giao lưu gen/kiểu gen và chọn lọc tự nhiên thì quần thể sẽ đạt tới trạng thái cân bằng theo định luật Hardy-Wenberg. Để đơn giản, chúng ta sẽ xét chỉ một lực tiến hóa tại một thời điểm mặc dù trong tự nhiên, tất cả các lực này thường xảy ra đồng thời và tương tác với nhau để định hình cấu trúc di truyền của quần thể. 4. Đột biến 4.1. Định nghia Đột biến là 1 thay đổi trong DNA ở một locus nào đó của sinh vật. 4.2. Vai trò Đột biến là một lực tiến hóa yếu để có thể làm thay đổi tần số allele nhưng là một lực tiến hóa mạnh để tạo ra một allele mới. Đột biến là nguồn chủ yếu để tạo thành các allele mới trong quần thể tác nhân gây bệnh. Do vậy, đột biến cũng cũng là nguồn chủ yếu để tạo thành các allele mới có khả năng tạo ra các kiểu gen mới của một tác nhân gây bệnh (chẳng hạn chủng mới, dạng chuyên hóa mới). Đột biến đóng một vai trò quan trọng trong tiến hóa. Nguồn chủ yếu các biến dị di truyền là đôt biến. Đột biến quan trọng vì là bước đầu tiên của tiến hóa khi nó tạo ra các trình tự DNA mới cho môt gene (tức tạo ra các allele mới). Cần chú ý là tái tổ hợp (recombination) cũng có vai trò tương tự. Đột biến có vai trò như là một lực tiến hóa vì nó có khả năng gây ra những thay đổi đáng kể trong tần số allele qua một thời gian rất lâu. Nhưng nếu đột biến là lực tiến hóa duy nhất tác động lên quần thể tác nhân gây bênh thì tốc độ tiến hóa thấp tới mức chúng ta không thể quan sát thấy được. Trong bệnh cây, chúng ta thường quan tâm nhất tới các đột biến ảnh hưởng tới tính độc của tác nhân gây bệnh hoặc tính mẫn cảm đối với thuốc hóa học. Đối với tác nhân gây bênh có mối quan hệ gene-đối-gene đối với cây thì chúng ta đặc biệt quan tâm tới các đột biến làm tác nhân gây bệnh chuyển từ tính không độc sang tính độc vì đây là các đột biến dẫn tới mất tính kháng di truyền của cây ở cả hệ sinh thái nông nhiệp và hệ sinh thái tự nhiên. Tuy nhiên các đột biến làm tác nhân gây bệnh chuyển từ trạng thái mẫn cảm thuốc sang trạng thái kháng thuốc cũng quan trọng trong hệ sinh thái nông nghiệp vì chúng ảnh hưởng tới tính thích nghi của tác nhân gây bệnh. 10
  11. 4.3. Một mô hình đột biến đơn giản Nhằm chứng minh đột biến có thể dẫn tới thay đổi tần số allele như thế nào, hãy xét một mô hình đột biến đơn giản. Giả sử chúng ta có 2 allele ở một locus gọi là A1 và A2, trong đó A1 có thể đột biến thuận thành A2 và A2 có thể đột biến ngược thành A1. Tiếp theo, giả sử A1 đột biến thành A2 với tần số u trên một thế hệ (u là tốc độ đột biến thuận), A2 đột biến ngịch thành A1 với tần số v trên 1 thế hệ (v là tốc độ đột biến nghịch). Ở thời điểm t, tần số của allele A1 là pt và tần số allele A2 là qt. Ở mọi thế hệ, có một tỷ lệ allele A1 bị đột biến thành A2. Tỷ lệ này sẽ bằng tốc độ đột biến thuận u nhân với tần số allele A1 = up. Tương tự, ỏ mọi thế hệ cũng có một tỷ lệ allele A2 đột biến nghịch thành allele A1 và tỷ lệ này = vq. f(A1) = pt f(A2) = qt A1 = avirulence allele, A2= virulence allele Thuận (u) A1 A2 Nghịch (v) up A1 A2 q = upt - vqt A1 A2 thêm mất vq Điều gì sẽ xảy ra với tần số allele A2 với điều kiện trên? Ở mọi thế hệ, tần số allele A2 sẽ tăng lên (up) do đột biến thuận nhưng cũng đồng thời bị giảm (vq) do đột biến nghịch. Như vậy, ở mỗi thế hệ, tổng thay đổi tần số allele A2 (∆q) = up – vq. Có thể suy ra tần số allele A2 ở thế hệ t +1 sẽ là q(t+1) = qt + q q(t+1) = qt + (upt - vqt) Ví dụ Giả sử u = 1 x 10-5 và v = 1 x 10-6 / thế hệ (đây là tốc độ đột biến thuận và nghịch điển hình). Giả sử tần số allele A1 (p) = 0.99 và tần số A2 (q) = 0.01. Vậy tần số mới của A2 là bao nhiêu sau một thế hệ đột biến? Tần số mới của allele A2 = 0.01 + [(10-5)(0.99) - (10-6)(0.01)] = 0.01 + 9.89 x 10-6 = 0.01001. Chúng ta có thể thấy rằng sự thay đổi tần số allele A2 là không đáng kể qua mỗi thế hệ. Nhìn chung, sau t thế hệ, tần số của allele A1 (wild-type) sẽ là: pt = p0(1-u)t Để tính số thế hệ cần nhằm thay đổi tần số allele với một số cho trước: t = log(pt/p0)/log(1-u) Chúng ta có thể dùng công thức trên để tính số thế hệ cần để thay đổi các tần số allele với điều kiện đột biến là lực tiến hóa duy nhất tác động lên quần thể. Để thay đổi tần số allele 1% (0.01) sẽ cần một thời gian dài. Giả sử u = 10-5 / thế hệ (đây là một tốc độ đột biến cao). Để chuyển tần số allele A1 từ 1.00 lên 0.99 (thay đổi 1%) sẽ cần 2000 thế hệ. Để chuyển tần số này từ 0.10 lên 0.09 (thay đổi 1%) sẽ cần 10,000 thế hệ. Nhìn 11
  12. chung, khi tần số của allele hoang dại giảm thì nó sẽ cần thời gian lâu hơn để tạo ra cùng số lượng đột biến. Mô hình này chứng tỏ rằng đột biến là lực tiến hóa rất yếu để có thể thay đổi tần số allele. Tuy nhiên, đột biến lại quan trọng trong khi tạo ra các allele mới trong quần thể. Số lượng allelle trong quần thể biến đổi theo kích thước quần thể. Tốc độ đột biến được tính theo thế hệ. Một tốc độ đột biến = 1 x 10-6 có thể có ý nghĩa là một đột biến ở một cặp gen sẽ xuất hiện một lần / 1 triệu tế bào / thế hệ hoặc cũng có thể có ý nghĩa là đột biến ở một cặp gen sẽ xuất hiện một lần / 1 triệu cặp base / thế hệ. Các đột biến chỉ có thể truyền sang thế hệ con cháu nếu xuất hiện ở các tế bào sinh sản như bào tử nấm, trứng + tinh trùng (của tuyến trùng, côn trùng), tế bào vi khuẩn hoặc phân tử virus. Một đột biến = 1 x 10-6 cũng ngụ ý rằng đột biến xuất hiện ở tần số 1 / 1 triệu cá thể của quần thể. Tốc độ đột biến they đổi theo gen và loại sinh vật, nhưng nhìn chung chúng thường thấp và có thể được xem là sự kiện hiếm trong hầu hết các trường hợp. Giả sử một đột biến có tốc độ 1 x 10-6 . Điều này có nghĩa trung bình, trong 1 quần thể 1 triệu cá thể (bào tử nấm, tế bào vi khuẩn, phân tử virus), người ta có thể hy vọng tìm được 1 đột biến trên bất kỳ một locus gen/thế hệ. Tương tự, trong 1 quần thể 10 triệu cá thể, người ta có thể hy vọng tìm thấy 10 đột biến. 4.4. Đột biến trong tác nhân gây bệnh cây Lấy 1 ví dụ là nấm sương mai lúa miến (barley) Blumeria graminis f. sp. hordei. Một vết bệnh sương mai thành thục tạo ~104 bào tử /ngày. Nếu chỉ số bệnh (= % diện tích lá bị bệnh) trên một cánh đồng là 10 % thì sẽ có khqảng 105 vết bệnh / m2 và số lượng bào tử hình thành là khoảng 109 bào tử/ m2 / ngày hay 1013 bào tử/ ha/ ngày. Với một tốc độ đột biến = 10-6 tại một locus qui định tính không độc thì sẽ có khoảng 107 bào tử mang đột biến độc được tạo ra /ha/ngày. Các đột biến độc này phát tán sang các ruộng trồng giống kháng trồng cạnh đó và nhiễm trên các cây mang gen kháng và tạo ra một thế hệ con cháu mang gen độc. Quá trình này xảy ra khá phổ biến đối với nấm sương mai và gỉ sắt, và cuối cùng dẫn tới cái gọi là chu trình “đỉnh – và – đáy” (boom – and – bust). Trong chu trình này, đột biến là giai đoạn đầu tiên chủ chốt để tạo ra “đáy”. Nhìn chung, quần thể tác nhân gây bệnh lớn thường có nhiều allele hơn quần thể nhỏ vì có nhiều đột biến là nguyên liệu cho chọn lọc hoặc trôi dạt di truyền. Đây là một lý do người ta nên giữ quần thể tác nhân gây bệnh ở kích thước càng nhỏ càng tốt. Về lý thuyết, nếu kích thước quần thể là
  13. 4.5. Đột biến và chiến lược tạo giống kháng Xét các ảnh hưởng của việc qui tụ các gene kháng. Nếu 2 gene kháng được đưa vào đồng thời trên một cây ký chủ thì tác nhân gây bệnh sẽ phải cần đồng thời 2 đột biến từ trạng thái không độc sang độc. Nếu giả sử tốc độ đột biến điển hình = 10-6, thì xác xuất để 2 đột biến này cùng xuất hiện trong một chủng là (10-6) x (10-6) = 10-12. Như vậy, lấy lại ví dụ về bệnh sương mai lúa miến ở trên, sẽ chỉ khoảng 10 đột biến kép có thể xảy ra mỗi ngày/ha. Nếu người ta đưa vào 3 gene kháng, thì xác suất tạo 3 đột biến đồng thời là 10-18 và sẽ chỉ có 1 cá thể mang 3 đột biến đồng thời / 105 ha cây ký chủ. Đây là lý do tại sao các nhà chọn giống thích đưa nhiều gen kháng vào một giống. Vì diện tích 106 ha là diện tích canh tác cây cốc khá phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới (?) và thường chỉ có thể cho 2-3 gene kháng nên người ta có thể hỏi tại sao tính kháng không bị bẻ gẫy nhanh chóng. Lý do là không phải tất cả các cá thể (bào tử) mang nhiều đột biến đông thời để bẻ gây tính kháng đa gene có cơ hội nhiễm trên cây kháng. Phần lớn trong số chúng sẽ rơi xuống đất, biến mất trên không khí, rơi trên cây ký chủ không phù hợp, và thậm chí nếu rơi trên cây ký chủ thích hợp thì lại gặp phải điều kiện môi trường không phù hợp cho sự nhiễm bệnh. 5. Trôi dạt di truyền 5.1. Định nghĩa Trôi dạt di truyền là 1 quá trình trong đó tần số allele của một quần thể bị thay đổi qua các thế hệ một cách hoàn toàn ngẫu nhiên. 5.2. Đặc điểm Trôi dạt di truyền là một quá trình ngẫu nhiên có thể dẫn tới các thay đổi lớn về cấu trúc di truyền của quần thể trong thời gian ngắn. Trôi dạt di truyền dẫn tới cố định allele hay kiểu gene trong quần thể, làm tăng hệ số giao phối và tăng mức đồng hợp tử (homozygosity) do hâu quả của việc loại bỏ các allele. Trôi dạt di truyền có lẽ phổ biến trong các quần thể trải qua chu kỳ tuyệt chủng (extinction) và tái xuất hiện (recolonization). Điều này đặc biệt quan trọng trong hệ sinh thái tự nhiên nơi cả ký sinh và ký chủ phân bố không đều với mỗi phần là 1 quần thể nhỏ. Vì trong trôi dạt di truyền, tần số allele không thay đổi theo bất kỳ hướng xác định trước nào nên người ta còn gọi trôi dạt di truyền là trôi dạt ngẫu nhiên hay trôi dạt di truyền ngẫu nhiên. 5.3. Nguyên nhân Trôi dạt di truyền có thể xảy ra do 3 nguyên nhân và chúng ta sẽ xét các nguyên nhân này theo mối quan hệ tam giác bệnh (cây ký chủ – tác nhân gây bệnh – môi trường). (1). Sự xuất hiện lại các quần thể có kích thước nhỏ. Kích thước nhỏ của quần thể tác nhân gây bệnh hình thành lại khi không có nhiều cây ký chủ trên vùng nhiễm bệnh, hoặc khi môi trường không thích hợp cho sự nhiễm bệnh. (2). Hiện tượng “thắt cổ chai” (hay là sự suy giảm mạnh kích thước quần thể). Một hiện tượng thắt cổ chai xuất hiện khi quần thể cây ký chủ bị loại bỏ (ví dụ do thu hoạch), hoặc khi môi trường thay đổi đã ngăn sự nhiễm bệnh trên cây hoặc tiêu diệt trực tiếp tác nhân gây bệnh (ví dụ thời tiết khô, nóng, băng giá…) (3). Hiệu ứng nền. Một hiệu ứng nền xuất hiện khi một số lượng nhỏ các cá thể, đại diện chỉ một phần nhỏ của tổng vốn gene của loài, bắt đầu một quần thể mới. Chẳng hạn, một hiệu ứng nền sẽ xuất hiện khi một vài cây mang mầm bệnh thoát khỏi sự kiểm tra của cơ quan kiểm dịch và hình thành một bệnh tại một nơi vốn trước đây không có bệnh. 13
  14. 5.4. Đo trôi dạt di truyền Đối với một quần thể, mức độ trôi dạt di truyền phụ thuộc Ne . Ne là kích thước quần thể hiệu quả (effective population size) và là một quần thể lý tưởng có kích thước xác định. Quần thể lý tưởng là quần thể trong đó tất cả bố mẹ có cơ hội bằng nhau để là bố mẹ của bất kỳ con cháu nào (không có chọn lọc). Ne hiếm khi là số lượng cá thể thực sự của quần thể (N, còn gọi là kích thước dân số). Ne là một số lý thuyết trình bày số lượng cá thể khác biệt về mặt di truyền đóng góp vào sự hình thành giao tử cho thế hệ kế tiếp. Ne cũng còn được gọi là số cá thể giao phối khác biệt về di truyền của quần thể. Ne không dễ xác định vì nó bị ảnh hưởng bởi phương thức giao phối và sinh sản (tự thụ, giao phối chéo, sinh sản vô tính) và phụ thuộc vùng địa lý mà quần thể được lấy mẫu. Ne không dễ xác định đối với các tác nhân gây bệnh nấm có kiểu sinh sản vô tính và hữu tính hỗn hợp vì số lượng cá thể có thể rất lớn nhưng số kiểu gene khác nhau có trải qua tái tổ hợp hữu tính có thể tương đối nhỏ. Ví dụ một nghiên cứu về nấm Mycosphaerella graminicola gây bệnh trên lúa mỳ cho thấy Ne của nấm ít nhất gồm 70 chủng (strains) / m2 (Zhan et al., 2001). Nếu biết kích thước quần thể hiệu quả Ne, chúng ta có thể biết trôi dạt di truyền tới mức nào. Sự biến động (biểu diễn bằng phương sai Var) trong tần số allele (p) của một quần thể có trôi dạt di truyền được tính theo công thức: pq Var (p) = sau 1 thế hệ trôi dạt di truyền đối với sinh vật lưỡng bội 2 Ne Sau nhiều thế hệ trôi dạt di truyền, một cân bằng hình thành và tại điểm cân bằng, chúng ta có: Var (p) = p0q0 Trong đó p0 và q0 là tần số ban đầu của 2 alllele tại một locus. Nếu p0=q0=0.5 và Ne = 50 thì Var (p) = 0.0025 Độ lệch chuẩn SD của (p) = (0.0025)0.5 = 0.05. Độ lệch chuẩn là trung bình giá trị tuyệt đối của sai khác được kỳ vọng trong quần thể sau 1 thế hệ trôi dạt di truyền và xấp xỉ bằng thay đổi được kỳ vọng trong tần số allele ( p) trong một quần thể. Do vậy trong một quần thể có 50 cá thể với 2 allele có tần số ban đầu bằng nhau thì chúng ta có thể dự đoán tần số các allele này sẽ thay đổi khoảng 5 % qua mỗi thế hệ. Mức độ thay đổi sẽ tăng khi kích thước quần thể giảm. Ví dụ Nếu p0=q0=0.5 và Ne = 5 thì Var (p) = 0.05 Độ lệch chuẩn SD của (p) = (0.05)0.5 = 0.22 Trong trường hợp này, quần thể với 5 cá thể trải qua trôi dạt di truyền sẽ có sự thay đổi tần số allele khoảng 22% qua mỗi thế hệ. 5.5. Trôi dạt di truyền làm giảm đa dạng di truyền và dẫn tới phân chia quần thể Cơ hội để cố định (fix) một allele tại một locus do trôi dạt di truyền phụ thuộc kích thước quần thể hiệu quả Ne và tần số của allele đó. Một allele được cố định có nghĩa allele này có tần số = 1 (tức là tất cả các thể của quần thể có cùng allele này). Trong một quần thể có kích thước quần thể hiệu quả lớn và các allele có tần số ngang bằng thì cơ hội cho một allele trở nên được cố đinh sẽ giảm. Các allele có tần số thấp sẽ ở vị trí bất lợi trong quá trình trôi dạt di truyền vì nguy cơ bị biến mất cao hơn so với các allele có tần số cao. .Trong điều kiện trôi dạt thuần túy, xác suất cố định của một allele trong một quần thể là tần số ban đầu của nó. Nếu giả sử tần số ban đầu của một allele là 0.01 thì sẽ có 1% cơ hội để allele này được cố định trong quần thể. 14
  15. Hình. Xác xuất 1 allele sẽ biến mất do trôi dạt di truyền khi giả sử quần thể có 2 allele với các tần số ban đầu khác nhau và kích thước quần thể hiệu quả khác nhau. Trôi dạt di truyền có thể dẫn tới nhiều hậu quả: − Dẫn tới thay đổi tần số allele − Dẫn tới cố định allele do mất allele hoặc kiểu gen − Dẫn tới cố định hay mất toàn bộ kiểu gen của một sinh vật sinh sản vô tính − Dẫn tới tăng tính đồng hợp tử đối với sinh vật lưỡng bội và tăng hệ số tự thụ − Dẫn tới tăng sự sai khác di truyền giữa các quần thể nếu không có sự giao lưu gen (gene flow) giữa chúng Trôi dạt di truyền cũng có 2 hậu quả quan trọng về mặt tiến hóa qua thời gian dài. − Tạo điều kiện cho sự biệt hóa loài (tạo loài mới) bằng cách cho phép tích lũy các các đột biến không thích nghi dẫn tới tạo điều kiện phân chia quần thể − Tạo điều kiện cho sự di chuyển của một quần thể từ mặt bằng thích nghi thấp lên mặt bằng thích nghi cao hơn theo lý thuyế chuyển dịch cân bằng Sewall Wright. Sự phân chia quần thể do trôi dạt di truyền sẽ tăng do các allele có trong các quần thể khác nhau sẽ bị mất một cách ngẫu nhiên. Ngoài ra, thay đổi tần số allele một cách ngẫu nhiên trong quần thể cũng sẽ xảy ra trong các quần thể khác nhau và các thay đổi ngẫu nhiên này làm các quần thể trở nên biệt hóa. Cuối cùng, nếu trôi dạt di truyền xảy ra ở các quần thể có kích thước quần thể hiệu quả nhỏ thì xác suất giao phối chéo giữa các họ hang gần gũi có xu hướng tăng dẫn tới tăng tự thụ và tiếp theo làm giảm mức dị hợp tử (heterozygosity) 5.6. Trôi dạt di truyền trong tác nhân gây bệnh cây Trong hệ sinh thái nông nghiệp, các quần thể tác nhân gây bệnh thường trở nên rất lớn do hậu quả tính đồng nhất di truyền cao của quần thể cây ký chủ. Do vậy, trôi dạt di truyền có thể không đóng một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hóa của tác nhân gây bệnh trong phạm vi một diện tích canh tác nhỏ (chẳng hạn một cánh đồng của nông dân). Tuy nhiên đã có rất nhiều bằng chứng về hiệu ứng nền trong hệ sinh thái nông nghiệp. Một ví dụ điển hình là Úc. Đây là một lục địa độc lập. Trong quá trình khai phá, người châu Âu đã mang cây trồng cũng như bệnh của chúng vào lục địa này. 15
  16. Trong hệ sinh thái tự nhiên, trôi dạt di truyền có lẽ đóng vai trò lớn hơn trong tiến hóa của tác nhân gây bệnh vì ngoài tự nhiên, quần thể cây ký chủ đa dạng về di truyền hơn, thường có phân bố không đều nên kích thước quần thể tác nhân gây bệnh không quá lớn. Hiện tượng thắt cổ chai thường xuất hiện trong quần thể tự nhiên nhiều hơn so với hệ sinh thái nông nghiệp. (Xem thêm khái niệm siêu quần thể) 5.7. Ví dụ trôi dạt di truyền trong bệnh cây Một ví dụ về trôi dạt di truyền trong bệnh cây là trường hợp nấm Puccina striiformis gây bệnh gỉ sắt dạng sọc lúa mỳ ở Úc. Thông qua các phân tích phân tử, các nhà khoa học phát hiện thấy rằng nấm này đã tới Úc vào năm 1979 bằng 1 clone từ châu Âu vì trong 2 năm 1979-1980, chỉ 1 race của nấm này được phát hiện tại Úc và giống với 1 race của Châu Âu (Steele et al. 2001). 6. Giao lưu gene và kiểu gen (Gene and Genotype Flow) 6.1. Định nghĩa. Giao lưu gene/kiểu gen (hay di cư gen/kiểu gen) là quá trình chuyển vật liệu di truyền (dưới dạng gen/kiểu gen) từ quần thể này sang quần thể khác của cùng loài. 6.2. Đặc điểm Giao lưu gen là một lực ngăn cản sự đa dạng của các quần thể. Giao lưu gen phá vỡ rào cản địa lý hoặc các rào cản khác gây ra sự biệt lập quần thể. Các quần thể biệt lập, do không có trao đổi di truyền nên sẽ trở nên đa dạng do trôi dạt di truyền và chọn lọc các allele thích nghi nhất đối với ổ sinh thái của quần thể đó. Nhưng nếu giao lưu gene xuất hiện ở mức độ đủ lớn và hiệu quả thì các quần thể biệt lập sẽ trở nên không còn đa dạng về di truyền; nói cách khác chúng trở nên giống nhau và tiến hóa như một đơn vị tiến hóa duy nhất. Giao lưu gen đặc biệt quan trọng đối với tác nhân gây bệnh cây trong hệ sinh thái nông nghiệp vì nó là quá trình đưa các gen mới vào một vùng địa lý cách xa điểm xuất hiện đầu tiên của gen đó. Nó là quá trình đưa các allele độc vào một quần thể mới. Giao lưu gene do vậy có thể đưa các allele mới thay thế các allele cũ nếu các allele mới thích nghi hơn trên cây ký chủ hiện tại 6.3. Giao lưu gen (gene flow) và giao lưu kiểu gen (genotype flow) Trong các quần thể tác nhân gây bệnh chỉ bao gồm một hoặc một vài dòng (chủng) đồng nhất, có thể xảy ra trường hợp giao lưu gene đặc biệt, trong đó, mỗi dòng (có kiểu gene đồng nhất) sẽ có nhiều đột biến làm nó khác với dòng ban đầu. Thực tế là nhiều gene di chuyển cùng với nhau trong các dòng vô tính nên người ta cũng quan tâm tới giao lưu kiểu gene. Giao lưu kiểu gene là sự di chuyển của toàn bộ kiểu gen từ quần thể này sang quần thể khác. Giao lưu kiểu gene chỉ xuất hiện đối với các sinh vật có kiểu sinh sản vô tính chiếm ưu thế trong vòng đời hay hoàn toàn sinh sản vô tính. Ví dụ: giao lưu kiểu gen xuất hiện khi 1 kiểu gen (clone) của nấm Fusarium oxysporum f. sp. melonis (gây bệnh héo Fusarium trên cây dưa) di chuyển từ Bắc Mỹ tới Israel qua ủng dính đất mang mầm bệnh của một nhà khoa học. Trong trường hợp này, vì nấm F. oxysporum không sinh sản hữu tính nên toàn bộ kiểu gen của nó đã được đưa vào một quần thể nấm mới. Nếu clone này có mức độ thích nghi cao, nó sẽ tồn tại được ở một vị trí mới. Đối với vi khuẩn và virus, mặc dù tái tổ hợp có thể xảy ra, nhưng do chúng sinh sản hoàn toàn vô tính nên giao lưu kiểu gene phổ biến hơn giao lưu gen. Trong khi đó, đối với nấm, do có cả sinh sản hữu tính và vô tính nên chúng có cả giao lưu gen và giao lưu kiểu gen 16
  17. 6.4. Phân chia quần thể và giao lưu gen Sự phân chia quần thể do trôi dạt di chuyền có thể bị khắc phục nhờ giao lưu gen. Mô hình dễ nhất để xem quá trình này diễn ra thế nào là mô hình Lục địa – Đảo do Sewall Wright, một nhà di truyền quần thể, đề xuất. Hình. Mô hình lục địa – đảo về giao lưu gen Diễn giải mô hình Mô hình giả thiết giao lưu gen chỉ xảy ra một chiều từ quần thể cho (lục địa) sang quần thể nhận (đảo). Giả sử a là một allele mang đột biến độc xuất hiện tại một locus (A là allele không độc tương ứng). Giả sử tần số của allele a là f(a) = q và tần số tương ứng của A là f(A) = p. m = là tỷ lệ quần thể di cư ra đảo 1-m = tỷ lệ quần thể bản địa có sẵn trên đảo Q = Tần số allele a của quần thể di cư ra đảo qo = Tần số allele a của quần thể bản địa tiếp nhận allele a từ quần thể di cư Sau một chu kỳ giao lưu gen chúng ta có: q1 = (1-m)qo + mQ q = -m(qo - Q) Trong đó q = q1-q0 Công thức này có thể được dùng để tính tốc độ thay đổi tần số allele do giao lưu gen. Ví dụ: xét sự di chuyển giả định của một allele độc (a) của nấm gỉ sắt hại lá lúa mỳ từ Anh sang Pháp f(a) = 0.50, quần thể nấm ở Anh có tần số cao về allele độc vì hầu hết các giống lúa mỳ ở Anh có gen kháng Lr13. qo = 0.00, m = 0.05, tốc độ di cư là cao vì một số lượng lớn bào tử đã bay từ Anh sang Pháp qua một trận bão. q = -0.05(0.00-0.50) = 0.025 q1 = 0.025 => ~3% của quần thể nấm tại Pháp bây giờ chứa gen độc (avrLr13) Tại điểm cân bằng (sau nhiều chu trình giao lưu gen do bào tử liên tục bay từ Anh sang Pháp), tần số allele của quần thể cho (Anh) bằng tần số allele của quần thể nhận (Pháp) qo = Q. Như vậy, tần số của allele độc (avrLr13) sẽ đạt tới 0.50 ở Pháp mặc dù các nhà chọn giống Pháp không dùng gen kháng Lr13 trong tạo giống kháng bệnh. Đây là một ví dụ giải thích tần số cao bất thường của các allele độc trong các quần thể của một số tác nhân gây bệnh khi ký chủ của nó thiếu gen kháng tương ứng. Nhiều loại mô hình đã được đề xuất phù hợp với nhiều hệ sinh thái nông nghiệp và tự nhiên khác nhau (Hình) 17
  18. Hình . Minh họa các mô hình giao lưu gen. A) Mô hình lục địa – đảo (Continent-island); B) Mô hình toàn đảo (Full island); C) Mô hình bắc cầu một hướng (One-dimensional stepping stone); và D) mô hình bắc cầu hai hướng (two-dimensional stepping stone). Kết quả cuối cùng của giao lưu gen là làm cho các quần thể trở nên giống nhau về mặt di truyền. Hình dưới cho thấy, các quần thể biệt lập về mặt địa lý có thể nhanh chóng hội tụ về cùng tần số allele khi các quần thể chứa 10% các các thể di cư từ nơi khác. Hình . Thay đổi tần số allele nhanh chóng qua các thế hệ của 5 quần thể có tốc độ di cư m=0.1 / thế hệ. 6.5. Ví dụ giao lưu gen trong bệnh cây Có rất nhiều ví dụ về giao lưu gen trong quần thể tác nhân gây bênh qua khoảng cách xa ở qui mô vùng hoặc toàn cầu. Giao lưu gen ở qui mô toàn cầu đối với nấm mốc sương khoat tây (Phytophthora infestans). Dựa vào các kỹ thuật DNA fingerprints, Goodwin et al. (1992, 1994, 1997) đã cung cấp bằng chứng rõ ràng về sự giao lưu gen của nấm. Vụ dịch toàn cầu vào những năm 1840 làm khoảng 1.5 triệu người chết đói ở Bắc Âu là do sự di cư của một dòng nấm từ Mexico (là trung tâm khởi nguyên và đa dạng của nấm). Sau khi di chuyển tới Bắc Mỹ, nấm di chuyển tiếp sang châu Âu qua củ khoai tây bị nhiễm và tiếp theo phát tán khắp toàn cầu qua hàng hóa thương mại (khoai tây). Nấm yêu cầu 2 kiểu ghép cặp (A1 và A2) để sinh sản hữu tính. Vì chỉ có một dòng nấm thoát khỏi Mexico nên tất cả các quần thể nấm, được xác định cho tới gần đây, đều sinh sản vô tính. Bắt đầu cuối những năm 1970, các dòng nấm khác, kể cả kiểu ghép cặp còn lại “thoát khỏi” Mexico nên hiện nay mức độ đa 18
  19. dạng của nấm ngày càng tăng (cả về tính gây bệnh và tính kháng thuốc metalaxyl) do sinh sản hữu tính. Kiểu ghép cặp A2 đầu tiên được phát hiện thấy bên ngoài Mexico là tại Thụy Sĩ vào năm 1980. Hình Các sự kiện di cư của nấm bắt đầu từ một dòng nấm Phytophora infestans ban đầu (Goodwin 1997). 6.6. Mối liên hệ giữa trôi dạt di truyền và giao lưu gen Các biến động di truyền do trôi dạt có thể được khắc phục nhờ giao lưu gen. Nếu có đủ số lượng cá thể được trao đổi giữa 2 quần thể đang trôi dạt di truyền độc lập thì các quần thể đang trôi dạt sẽ liên kết về di truyền và sự phân chia quần thể sẽ không xảy ra. Mối liên hệ này có thể được giải thích nhờ tham số Nem. Ne là kích thước quần thể hiệu quả (một phép đo của trôi dạt di truyền) và m là phần trăm của quần thể tiếp nhận nhưng chỉ bao gồm các cá thể nhập cư. Như vậy tích của 2 tham số = Nem là giá trị trung bình của các các thể nhập cư được trao đổi trong quần thể của mỗi thế hệ. Giá trị của Nem có thể được xác định dùng phép đo của phân chia quần thể gọi là FST, hay dùng các allele riêng (là các allele chỉ phát hiện trong một quần thể). Nếu Nem = 0, không có cá thể di cư nào trao đổi giữa các quần thể. Kết quả là các allele khác nhau có thể bị cố định do trôi dạt di truyền. Các quần thể trở nên khác nhau và xuất hiện phân chia quần thể. Nếu Nem >1, trung bình có 1 hoặc nhiều cá thể trao đổi giữa các quần thể qua mỗi thế hệ, do vậy quần thể sẽ không phân hóa bởi trôi dạt di truyền và chúng sẽ dần trở nên giống nhau. Rất ít giao lưu gen cần để chống lại trôi dạt di truyền Nếu Nem = 1, các ảnh hưởng của trôi dạt bị cân bằng lại chính xác bằng ảnh hưởng của giao lưu gen, quần thể sẽ không phân hóa cũng như không hội tụ Có thể minh họa nguyên lý trên qua ví dụ sau: Giả sử p = q = 0.5 (có nghĩa 2 allele tại một locus có mặt ở tần số bằng nhau). Với Ne = 10, ảnh hưởng của trôi dạt lớn: Var(p) = 0.0125 (s.e. 0.11). Trong quần thể này, một cá thể nhập cư (Nem = 1) tương ứng m = 0.10; Do vậy, 10 % quần thể là gồm các cá thể nhập cư. Để chống lại Ne nhỏ thì m phải tương đối lớn. Với Ne = 10,000, ảnh hưởng của trôi dạt là nhỏ: Var(p) = 0.0000125 (s.e. 0.0035). Trong quần thể này, một cá thể nhập cư (Nem = 1) tương ứng với m = 0.0001; do vậy 1 % quần thể là bao gồm các cá thể nhập cư. Để chống lại một Ne lớn thì chỉ cần m nhỏ. 6.7. Khái niệm siêu quần thể và tác nhân gây bệnh Một siêu quần thể (metapopulation) là 1 tập hợp các quần thể địa phương liên hệ với nhau bởi sự di cư của các cá thể. Các quần thể địa phương có thể trải qua các chu trình diệt vong và tái phục hồi; trái lại siêu quần thể có thể tương đối ổn định. Một siêu quần thể là một quần thể của các quần thể. 19
  20. Để hiểu được siêu quần thể, cần nhớ rằng các quần thể thực sự chưa bao giờ cân bằng (ngoại trừ trong các mô hình toán). Do vậy chúng ta có thể xem một loài là một tập hợp các quần thể nhỏ chưa bao giờ cân bằng. Các mô hình siêu quần thể có thể giúp giải thích các tác nhân gây bệnh đã tiến hóa như thế nào trong hệ sinh thái nông nghiệp, đặc biệt đối với các tác nhân gây bệnh nhóm biotroph – nhóm chỉ gây hại và tồn tại trên mô ký chủ sống. Trong hệ sinh thái nông nghiệp, một ổ sinh thái mới có thể hình thành đối với một tác nhân gây bệnh khi cánh đồng được trồng với một cây ký chủ mẫn cảm. Hiệu ứng nền xảy ra khi tác nhân gây bệnh gặp cây ký chủ mẫn cảm và phát triển số lượng. Ổ sinh thái này bị loại bỏ khi cây được thu hoạch. Sau khi cây ký chủ bị loại bỏ, tác nhân gây bệnh có thể bị diệt vong (tuyệt chủng) hoặc trải qua quá trình thắt cổ chai. Mô hình siêu quần thể nhìn chung không áp dụng cho các nhóm tác nhân gây bệnh luôn tạo ra các cấu trúc (dạng bảo tồn) lâu dài, có thể tồn tại qua đông hoặc chuyển vụ ngay tại chỗ. Một ví dụ rất tốt về mô hình siêu quần thể là mô hình bệnh gỉ sắt cây cốc (lúa mỳ, lúa miến và yến mạch (wheat, barley, and oats) hàng năm theo đường hướng Puccinia "Puccinia pathway" ở Bắc Mỹ. Hình. Minh họa đường hướng puccinia của nấm gỉ sắt cây cốc ở Bắc Mỹ. Bào tử nấm gỉ sắt di chuyển lên phía bắc vào mùa xuân và mùa hè (mũi tên đen) và di chuyển lại xuống phía nam vào mùa thu (mũi tên đỏ) theo hướng gió Do việc loại bỏ cây ký chủ phụ là barberry nên giai đoạn qua đông chuyển vụ của nấm gỉ sắt thân lúa mỳ (Puccinia graminis f. sp. tritici ) không tồn tại trong vùng. Nhiều loài nấm gỉ sắt lại qua đông ở các bang miền nam như Texas hoặc ở Mexico. Bào tử sẽ theo gió di chuyển lên phía Bắc theo sự phát triển của cây cốc và tới Canada vào mùa hè - đúng lúc để xâm nhiễm trên cây cốc đã được trồng vào mùa xuân. Vào mùa thu, khi cây cốc được thu hoạch ở Canada và các bang Bắc mỹ thì bào từ nấm lại di chuyển xuống phương nam nhờ gió và nhiễm trên tàn dư cây cốc trên đồng ruộng. Mùa đông lạnh ở phương Bắc đảm bảo chắc chắn rằng không một bào tử nấm nào có thể tồn tại để bắt đầu một vụ dịch mới trong năm tiếp theo. Như vậy quần thể nấm địa phương 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản