Miễn dịch thực vật

Chia sẻ: Dao Thi Ngoan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

254
lượt xem 98
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo về miễn dịch học thực vật

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Miễn dịch thực vật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA NÔNG HỌC BỘ MÔN BỆNH CÂY MIỄN DỊCH THỰC VẬT (Chương trình đại học - 2 tín chỉ) Biên soạn Hà Viết Cường 2008 1
Mục lục CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ MIỄN DỊCH THỰC VẬT...............................................6 1. Định nghĩa và đối tượng nghiên cứu ...............................................................................6 1.1. Nguồn gốc từ miễn dịch (immunity).............................................................................6 1.2. Định nghĩa miễn dịch thực vật......................................................................................6 1.3. Đối tượng nghiên cứu......................................................................................................6 2. Lịch sử miễn dịch động vật..............................................................................................6 2.1. Lịch sử miễn dịch thực vật............................................................................................7 3. So sánh miễn dịch ở động vật và thực vật......................................................................8 3.1. Sự khác nhau.....................................................................................................................8 3.2. Sự giống nhau...................................................................................................................8 4. Các khái niệm cơ bản về tính kháng bệnh thực vật.....................................................9 CHƯƠNG 2. CƠ CHẾ GÂY BỆNH CỦA TÁC NHÂN GÂY BỆNH............................12 1. Cấu tạo tế bào thực vật...................................................................................................12 1.1. Vách tế bào. ....................................................................................................................12 1.1.1. Phiến giữa (middle lamella).......................................................................................12 1.1.2. Vách sơ cấp (primary cell wall).................................................................................12 1.1.3. Vách thứ cấp (secondary cell wall)............................................................................12 1.1.4. Các chất cấu tạo nên vách tế bào.............................................................................12 1.2. Màng tế bào.....................................................................................................................13 1.3. Các chất bề mặt của cây...............................................................................................13 2. Đặc điểm chung của tác nhân gây bệnh cây ................................................................13 2.1. Nấm gây bệnh cây..........................................................................................................13 2.2. Vi khuẩn gây bệnh cây..................................................................................................14 2.3. Virus thực vật.................................................................................................................14 3. Cơ chế gây bệnh của tác nhân gây bệnh......................................................................15 4. Quá trình xâm nhập của tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào .......................15 4.1. Xâm nhập (penetration)của nấm vào trong cây.........................................................15 4.1.1. Trực tiếp qua bề mặt ký chủ nguyên vẹn (chủ động). ........................................16 4.1.2. Qua lỗ mở tự nhiên (thụ động).................................................................................16 4.1.3. Qua các vết thương cơ giới, các vết nứt tự nhiên (thụ động).............................16 4.2. Xâm nhập của vi khuẩn................................................................................................16 4.2.1. Xâm nhập của virus, mollicute (phytoplasma, spiroplasma)..................................17 4.3. Dinh dưỡng ký sinh của tác nhân gây bệnh...............................................................17 4.4. Các enzyme của tác nhân gây bệnh .............................................................................17 4.4.1. Các enzyme phân hủy vách tế bào............................................................................17 4.4.2. Enzyme phân giải vật chất trong tế bào ký chủ.....................................................18 4.5. Độc tố của tác nhân gây bệnh......................................................................................18 4.5.1. Độc tố không chọn lọc ký chủ (NST).......................................................................19 4.5.2. Các độc tố chọn lọc ký chủ (HST) ..........................................................................20 4.6. Hocmon thực vật. ..........................................................................................................21 4.6.1. Auxins............................................................................................................................21 4.6.2. Gibberellins...................................................................................................................21 4.6.3. Cytokinin.......................................................................................................................22 2
4.6.4. Ethylene.........................................................................................................................22 4.7. Khái niệm tính gây bệnh, tính độc của tác nhân gây bệnh.....................................22 4.8. Phân loại tác nhân gây bệnh theo tính ký sinh...........................................................23 4.9. Phân loại tác nhân gây bệnh theo phương thức sử dụng nguồn dinh dưỡng......24 CHƯƠNG 3: CÁC BIỂU HIỆN CỦA TÍNH KHÁNG.....................................................25 1. Giới thiệu...........................................................................................................................25 2. Phòng thủ thụ động..........................................................................................................26 2.1. Phòng thủ nhờ rào cản vật lý có sẵn...........................................................................26 2.2. Phòng thủ nhờ các chất hóa học có sẵn......................................................................26 2.2.1. Các chất ức chế được cây tiết ra bên ngoài............................................................27 2.2.2. Các chất ức chế có sẵn trong tế bào cây. ...............................................................27 3. Phòng thủ chủ động..........................................................................................................27 3.1. Phòng thủ chủ động nhờ hình thành các cấu trúc bảo vệ.......................................27 3.1.1. Phản ứng phòng thủ tế bào chất..............................................................................27 3.1.2. Hình thành cấu trúc phòng thủ vách tế bào............................................................28 3.1.3. Hình thành cấu trúc phòng thủ mô...........................................................................28 3.2. Phòng thủ chủ động sinh hóa.......................................................................................29 3.2.1. Phytoalexin....................................................................................................................29 3.2.2. Các hợp chất phenolic.................................................................................................30 3.2.3. PR protein (pathogenesis-related protein).................................................................30 4. Sự chết tế bào được lập trình (Programmed Cell Death – PCD), Apostosis và phản ứng siêu nhạy (Hypersensitive Responnd – HR)................................................................31 4.1. Sự chết tế bào được lập trình (PCD).........................................................................32 4.2. Tự thực bào (Autophagy)..............................................................................................32 4.3. Apoptosis..........................................................................................................................32 4.4. Phản ứng siêu nhạy.......................................................................................................32 CHƯƠNG 4: THUYẾT GEN ĐỐI GEN............................................................................33 1. Giới thiệu...........................................................................................................................33 2. Thí nghiệm về bệnh gỉ sắt cây lanh của Flor ..............................................................34 2.1. Vòng đời nấm gỉ sắt Melampsora lini.........................................................................34 2.2. Kỹ thuật phân tích lai nấm M. lini.............................................................................35 2.3. Đặc điểm cây ký chủ.....................................................................................................35 2.4. Các thí nghiệm của Flor................................................................................................35 3. Khái niệm gen - đối – gen.................................................................................................36 3.1. Khái niệm........................................................................................................................36 3.2. Đặc điểm quan hệ gen-đối-gen....................................................................................37 4. Đặc điểm của gen không độc (gen Avr) của ký sinh ..................................................37 5. Gen kháng R và protein R.................................................................................................39 5.1. Pto ....................................................................................................................................39 5.2. CNL (CC-NB-LRR)........................................................................................................39 5.3. TNL (TIR-NB-LRR) ......................................................................................................39 5.4. Cf.......................................................................................................................................40 5.5. Xa21..................................................................................................................................40 6. Tương tác giữa protein R và Avr....................................................................................40 6.1. Tương tác trực tiếp – mô hình Elicitor – Receptor....................................................40 3
6.2. Tương tác gián tiếp – mô hình bảo vệ (Guard model).............................................41 7. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen R.............................................................................41 7.1. Sự đa dang trong quần thể tác nhân gây bệnh..........................................................41 7.1.1. Nấm - Sinh sản hữu tính............................................................................................41 7.1.2. Nấm – chuyển gen theo chiều ngang........................................................................42 7.1.3. Nấm – Đột biến. .........................................................................................................42 7.1.4. Vi khuẩn – sinh sản hữu tính.....................................................................................42 7.1.5. Vi khuẩn – đột biến....................................................................................................43 7.1.6. Virus – tái tổ hợp.........................................................................................................43 7.1.7. Virus – đột biến...........................................................................................................43 7.2. Các yếu tố điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh.....................................43 7.3. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen kháng R..............................................................44 7.3.1. Đồng tiến hóa trong sản xuất nông nghiệp............................................................44 7.3.2. Đồng tiến hóa trong hệ sinh thái tự nhiên...............................................................45 CHƯƠNG 5: MIỄN DỊCH BẨM SINH ............................................................................47 1. Quan hệ giữa vi sinh vật và cây......................................................................................47 2. Miễn dịch bẩm sinh (innate immunity) ở động vật máu nóng...................................47 3. Miễn dịch bẩm sinh (innate immunity) ở thực vật......................................................47 3.1. Tính kháng không đặc hiệu (Non-specific resistance) ...............................................48 3.2. Tính kháng đặc hiệu (tính kháng đặc hiệu giống cây/chủng tác nhân gây bệnh. 49 4. Các receptor nhận biết PAMP/MAMP/Avr protein.....................................................49 5. Nhận biết và tương tác giữa các protein R và PAMP/MAMP/Effector ....................49 6. Dẫn truyền tín hiệu trong miễn dịch thực vật............................................................50 6.1. Đường hướng salicyclic acid (SA)................................................................................50 6.2. Đường hướng dẫn truyền JA và ET...........................................................................51 6.3. Giao tiếp chéo (cross talk) giữa đường hướng SA và JA/ET...................................51 6.4. Dòng thác ion và sự đốt cháy oxy hóa..........................................................................51 6.5. Đường hướng MAPK (Mitogen Activated Protein Kinases).....................................52 CHƯƠNG 6. TÍNH KHÁNG TẬP NHIỄM HỆ THỐNG ..............................................53 1. Định nghĩa ..........................................................................................................................53 1.1. Các hóa chất ngoại bào có khả năng cảm ứng SAR.................................................53 CHƯƠN 7. MIỄN DỊCH TV ĐỖI VỚI MỘT SÔ BỆNH ...............................................55 1. Bệnh đạo ôn (tham khảo giáo trình bệnh cây nông nghiệp)......................................55 1.1. Triệu chứng....................................................................................................................55 1.2. Tác nhân gây bệnh:........................................................................................................55 1.3. Xâm nhiễm gây bệnh.....................................................................................................55 1.4. R và Avr proteins............................................................................................................56 1.5. Đa dạng của nấm/ Bộ giống chỉ thị............................................................................56 1.6. Quần thể nấm P. oryzae tại miền Bắc Việt Nam....................................................57 1.7. Các giống kháng nhiễm ................................................................................................57 2. Bệnh bạc lá (tham khảo giáo trình bệnh cây nông nghiệp)........................................57 2.1. Tác nhân gây bệnh. .......................................................................................................58 2.2. Xâm nhiễm gây bệnh.....................................................................................................58 2.3. R và Avr gen....................................................................................................................58 2.4. Đa dạng của vi khuẩn Xoo............................................................................................59 4
2.5. Đa dạng của Xoo tại Việt Nam....................................................................................60 2.6. Các giống kháng nhiễm tại Việt nam.........................................................................60 3. Bệnh xoăn lá cà chua (begomovirus)...............................................................................60 3.1. Triệu chứng bệnh..........................................................................................................60 3.2. Nguyên nhân gây bệnh...................................................................................................61 3.2.1. Tác nhân gây bệnh là một phức hợp loài................................................................61 3.2.2. Hình thái của begomovirus gây bệnh xoăn vàng lá cà chua...................................62 3.2.3. Đặc điểm bộ gien của begomovirus gây bệnh xoăn vàng lá cà chua....................62 3.3. Xâm nhiễm gây bệnh.....................................................................................................63 3.3.1. Lan truyền của begomovirus.....................................................................................63 3.3.2. Tái sinh (sinh sản) của begomovirus.........................................................................63 3.4. Tính kháng đối với begomovirus .................................................................................63 3.4.1. Tính kháng của begomovirus thông qua gen kháng................................................63 3.4.2. RNA silencing và begomovirus...................................................................................63 3.5. Bệnh xoăn lá cà chua ở Việt Nam................................................................................64 CHƯƠNG 8. CHỌN TẠO GIỐNG KHÁNG....................................................................64 1. Giới thiệu ..........................................................................................................................65 2. Đa dạng của quần thể tác nhân gây bệnh....................................................................65 2.1. Đa dạng của tác nhân gây bệnh...................................................................................65 2.2. Các kỹ thuật dùng để nghiên cứu mức độ đa dạng của tác nhân gây bệnh là: . .66 2.2.1. Sử dụng giống chỉ thị (khái niệm và ví dụ: xem chương ...)................................66 2.2.2. Các phân tích phân tử.................................................................................................66 3. Xác định nguồn gen kháng...............................................................................................68 3.1. Sự đa dạng của thực vât ..............................................................................................68 3.2. Nguồn gen kháng............................................................................................................69 4. Lựa chọn gen kháng..........................................................................................................69 4.1. Vai trò của tính kháng ngang và kháng dọc trong tạo giống kháng........................69 4.1.1. Tính kháng dọc............................................................................................................69 4.1.2. Tính kháng ngang.........................................................................................................71 4.2. Lựa chọn gen kháng.......................................................................................................71 5. Sử dụng marker phân tử trong chọn tạo giống kháng................................................72 6. Đánh giá tính kháng...........................................................................................................72 5
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ MIỄN DỊCH THỰC VẬT 1. Định nghĩa và đối tượng nghiên cứu 1.1. Nguồn gốc từ miễn dịch (immunity) Miễn dịch (immunity) có nguồn gốc từ từ la tinh “immunitas” có nghĩa là “ngoại lệ” chẳng hạn như “không phải phục vụ quân đội”, “không phải trả thuế và các dịch vụ công cộng khác”. Trong văn học Roman, “immunity” có nghĩa rộng hơn như khả năng sống sót khi bị nhiễm độc hoặc là bị bệnh truyền nhiễm. 1.2. Định nghĩa miễn dịch thực vật Hiện nay, miễn dịch (immunity) là một thuật ngữ y học mô tả trạng thái có đủ sự phòng thủ sinh học nhằm chống lại sự nhiễm bệnh hoặc sự tấn công của các tác nhân sinh học. Tương tự, đối với thực vật, miễn dịch, cũng có thể được hiểu là khả năng của cây duy trì sự không bị bệnh trước sự tấn công của các tác nhân sinh học. Cần chú ý là theo sự phân chia truyền thống thì tác nhân gây bệnh bao gồm các vi sinh vật (ví dụ như nấm, vi khuẩn), virus, tuyến trùng và các tác nhân do môi trường bất lợi. Tuy nhiên, hiện nay, một số ý kiến, căn cứ vào định nghĩa bệnh cây, cho rằng côn trùng (đặc biệt là nhóm côn trùng chích hút) cũng có thể gây ra bệnh. Miễn dịch trong môn học miễn dịch thực vật cần phải được hiểu rộng hơn là khả năng của cây chống lại ở mọi mức độ sự tấn công của tác nhân gây bệnh nhờ các đặc điểm cấu trúc và di truyền. Theo nghĩa rộng này, miễn dịch thực vật có thể được hiểu là tính kháng của cây với tác nhân gây bệnh. 1.3. Đối tượng nghiên cứu Miễn dịch thực vật, do vậy, nghiên cứu sự tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây ký chủ trong quá trình gây bệnh nhằm hiểu và ứng dụng khả năng kháng bệnh của cây. 2. Lịch sử miễn dịch động vật Miễn dịch động vật, vẫn thường được gọi là miễn dịch học, là một ngành khoa học quan trọng trong y học và thú y học. Nhiều khám phá lịch sử đã được phát hiện hoặc ngẫu nhiên hoặc gắn liền với nhiều tên tuổi lớn trong khoa học sinh học. Phương pháp chủng đậu của người Trung Quốc và Ấn Độ. Bệnh đậu mùa trên người do Variola major virus (chi Orthpoxvirus) xuất hiện khoảng 10.000 năm trước công nguyên, và là một trong nhưng bệnh nguy hiểm trên người, đặc biệt trên trẻ em. Từ 20 – 60 % người nhiễm bệnh (trong đó 80% là trẻ em) có thể bị chết. Bệnh đã gây ra khoảng 300-500 triệu người chết trong thế kỷ 20. Năm 1979, Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã tuyên bố xóa bỏ được bệnh nhờ các chiến dịch tiêm chủng vacxin trong suốt 2 thế kỷ 19 và 20. Từ nhiều thế kỷ trước, người Trung Quốc và Ấn Độ (khoảng thế kỷ 16) đã biết chữa bệnh bằng cách nghiền vảy đậu mùa từ người bệnh, sau đó nhỏ vào mũi hoặc bôi vào vết cắt trên da người khỏe để phòng bệnh. Vào khoảng 1720, bà Mary Montagu, vợ một đại sứ người Anh tại Thổ Nhĩ Kỳ đã giới thiệu phương pháp chủng đậu của người Thổ (tương tự như của người Ấn và người Trung Quốc) vào Tây Âu. Phương pháp tạo miễn dịch chéo. Cuối thế kỷ 18, Edward Jenner, một dược sĩ người Anh, đã nghe được thông tin rằng có một cô gái không bị bệnh đậu mùa vì cô đã bị bệnh đậu bò (do Cowpox virus, một virus cùng chi Orthpoxvirus với virus đậu mùa), một 6
bệnh trên gia súc và cả người nhưng triệu chứng nhẹ hơn nhiều. Thông tin này đã gợi ý Jenner thực hiện thí nghiệm chủng đậu người khỏe bằng cách sử dụng vết bệnh lấy trên da của người bị bệnh đậu bò nhằm chống lại bệnh đậu mùa. Phương pháp của Jenner, sau đó được sử dụng rộng rãi ở Anh. Vào năm1838, chính phủ Anh thông qua luật chủng đậu miễn phí cho người dân, và 20 năm sau (1858), chủng đậu là bắt buộc tại Anh. Phương pháp tạo miễn dịch dùng tác nhân gây bệnh nhược độc. Phương pháp này gắn liền với tên tuổi của Louis Pasteur, một nhà hóa học và vi sinh vật học người Pháp. Ông đã khám phá ra kỹ thuật tiêm chủng này nhờ các nghiên cứu về bệnh tả gà (Pasteurella multocida), bệnh than (Bacillus anthracis) và bệnh dại (Rabies virus). 2.1. Lịch sử miễn dịch thực vật 1894, Ericksson đã phát hiện thấy nấm gỉ sắt cây cốc (Puccinia graminis) gồm các chủng sinh lý không thể phân biệt được về hình thái nhưng khác nhau về tính gây bệnh trên cây ký chủ (ví dụ một số chủng nấm gây bệnh trên lúa mỳ nhưng không gây bệnh trên đại mạch và tiểu mach). Hiện nay, các chủng sinh lý này đã được xác định là: - Puccinia graminis f.sp. tritici gây hại lúa mỳ (wheat) - P. graminis f.sp. avenae gây hại đại mạch (oat) - P. graminis f.sp. secalis gây hại tiểu mach (barley) 1902, Ward và 1915, Stakman. Khi nghiên cứu bệnh gỉ sắt lúa mỳ, các tác giả này đã ghi nhận phản ứng chết hoại rất nhanh trên mô lúa mỳ do nấm và gọi phản ứng này là “phản ứng siêu nhạy, hypersensitive respond”. 1964, Klement và đồng nghiệp ghi nhận rằng phản ứng siêu nhạy cũng xảy ra đối với cây bị vi khuẩn tấn công. Cần chú ý là vào năm 1972, phản ứng siêu nhạy cũng được phát hiện trên động vật và được gọi là phản ứng apoptosis. Apotosis hiện đang là lĩnh vực nghiên cứu rất hấp dẫn trong sinh học (y học, thú y học và bệnh cây, xem chương...) 1905, Biffen cho biết tính kháng bệnh gỉ sắt của 2 giống lúa mỳ (Michigan Bronze (S) và Rivet (R)) di truyền được theo luật Mendel. 1909, Orton, khi nghiên cứu bệnh héo Fusarium (Fusarium oxysporum) trên bông, dưa hấu và đậu đã phân biệt các khái niệm kháng bệnh (resistance), thoát bệnh (escape), chịu bệnh (tolerance). 1914, Stakman và đồng nghiệp đưa ra khái niệm rằng các chủng khác nhau của cùng một loài tác nhân gây bệnh không thể phân biệt được về hình thái nhưng có thể phân biệt được trên cở sở tính gây bệnh khác nhau trên các giống khác nhau của cùng một loài cây ký chủ. Điều này giải thích tại sao (i) một giống cây kháng bệnh tại vùng này nhưng có thể nhiễm bệnh ở vùng khác, (ii) tính kháng bệnh thay đổi từ năm này sang năm khác và (iii) tại sao các giống kháng bỗng trở lên nhiễm bệnh bất thình lình. Tất cả đều do sự có mặt hay sự thay đổi thành phần chủng sinh lý của tác nhân gây bệnh. 1940-1965. Flor, một nhà bệnh cây Mỹ, khi nghiên cứu bệnh gỉ sắt cây lanh đã phát hiện thấy rằng: đối với mỗi gen qui định tính kháng trong cây ký chủ thì có một gen tương ứng qui định tính gây bệnh trong ký sinh “For each gene that conditions resistance in the host there is a corresponding gene that conditions pathogenicity in the parasite”. Ông đặt tên mối quan hệ này là quan hệ gen-đối-gen (gene-for-gene) và thuyết do ông khám phá được gọi là thuyết gen-đối-gen.. Ông được xem là một trong những nhà khoa học có công lao nhất và thuyết gen-đối-gen là một trong những thuyết quan trọng 7
nhất trong lĩnh vực tính kháng bệnh cũng như bệnh học thực vật. Ngày nay, nhiều khía cạnh trong thuyêt gen-đối-gen đã được chứng minh và bổ sung ở mức phân tử. 1963, Vanderplank cho biết có hai loại tính kháng: (1) tính kháng dọc (vertical resistance) được điều khiển bởi một vài gen kháng chủ (“major” resistance gene), có tính kháng cao nhưng chỉ chống một hay một vài chủng tác nhân gây bệnh; và (2) tính kháng ngang (horizontal resistance) do nhiều gen kháng thứ (“minor” resistance gene) có tính kháng yếu nhưng chống được tất cả các chủng tác nhân gây bệnh. Vanderplank cũng được xem là nhà khoa học có đóng góp lớn trong bệnh cây học. 3. So sánh miễn dịch ở động vật và thực vật Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu thường so sánh tính kháng của thực vật với tính miễn dịch của động vật và đã áp dụng nhiều khái niệm của miễn dịch động vật vào nghiên cứu tính kháng thực vật. Cơ chế miễn dịch động vật với tính kháng thực vật chia sẻ nhiều điểm khác nhau nhưng cũng có nhiều điểm giống nhau. 3.1. Sự khác nhau Sự khác nhau dễ thấy nhất là động vật máu nóng có hệ miễn dịch còn thực vật không có. Hệ miễn dịch của động vật máu nóng bao gồm các cơ quan có thẩm quyền miễn dịch và các tế bào có thẩm quyền miễn dịch. Các cơ quan có thẩm quyền miễn dịch (tuyến ức, lách, tủy...) là nơi sản sinh, duy trì, biệt hoá và điều khiển sự hoạt động của các tế bào có thẩm quyền miễn dịch. Các tế bào có thẩm quyền miễn dịch (chủ yếu gồm 2 loại là lympho bào B và lympho bào T) tham gia vào quá trình đáp ứng miễn dịch của cơ thể nhằm chống lại các tác nhân lạ xâm nhập. Có 2 kiểu đáp ứng miễn dịch: Kiểu đáp ứng miễn dịch dịch thể: Khi kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, bị đại thực bào vây bắt, xử lý và trình diện cho lympho bào T. Lympho bào T trở thành trợ bào T. Trợ bào T hoạt hóa lympho bào B thành tế bào plasma để sản xuất ra kháng thể dịch thể. Các kháng thể dịch thể chính là các globulin miễn dịch (Immuno globulin = Ig) bao gồm 5 lớp là IgG, IgM, IgA, IgD và IgE. Kháng thể dịch thể tồn tại trong dịch cơ thể (huyết tương) và sẽ kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên. Ở một số ít trường hợp, kháng nguyên có thể kích thích trực tiếp lympho bào B thành tế bào plasma. Kiểu đáp ứng miễn dịch tế bào: Khi kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, bị đại thực bào vây bắt, xử lý và trình diện cho lympho bào T. Lympho bào T được biệt hoá thành lympho bào T mẫn cảm kháng nguyên và chính bản thân chúng là kháng thể tế bào. Kháng thể cũng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên. 3.2. Sự giống nhau Ở mức độ phân tử và tế bào, phản ứng phòng thủ của thực vật và động vật chia sẻ nhiều đặc điểm chung mà quan trọng nhất là quá trình nhận biết và khởi động phản ứng kháng hay miễn dịch. Để có thể kích hoạt các phản ứng kháng hay miễn dịch, tế bào động vật cũng như thực vật phải có khả năng nhận biết được các tác nhân vi sinh vật ngoại lai. Các tác nhân vi sinh vật hình thành các phân tử chứa các vùng bào thủ (gọi là các mô hình phân tử) có nguồn gốc vi sinh vật (gây bệnh hay không gây bệnh). Các phân tử này có ký hiệu là MAMP/PAMP (Microbe/Pathogen-Associated Molecular Pattern). Một số ví dụ về các MAMP/PAMP của vi sinh vật là lipopolysacharide (LPS) của vi khuẩn Gram (-), peptidoglycan của vi khuẩn Gram (+), flagellin của lông roi vi khuẩn; glucan, chitin của 8
vách tế bào nấm. Một trong những đặc điểm quan trọng là các MAMP/PAMP khá bảo thủ; điều này dẫn tới các receptor nhận biết các phân tử này (PRR, viết tắt từ Pattern Recognition Receptor) tức là nhận biết PAMP/MAMP khá giống nhau ở động vật và thực vật. Các PRR của động vật là các protein như Toll receptor của ruồi dấm, Toll-like receptor (TLR) của các động vật khác (kể cả Interleukin receptor của động vật máu nóng). Các PRR của thực vật là nhiều loại protein kháng (gọi là các protein R = Resistance protein). Các PRR này có đặc điểm cấu trúc giống nhau, chẳng hạn có vùng lặp giàu leucine ở đầu carboxyl (gọi là vùng LRR, viết tắt từ Leucine Rich Repeats) – là nơi nhận biết MAMP/PAMP; vùng TIR (viết tắt từ Toll – Interleukin 1 Receptor) ở đầu amin. Các PRR này có đặc điểm chức năng giống nhau là nhận biết MAMP/PAMP và khởi động phản ứng miễn dịch/kháng kháng bẩm sinh. 4. 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). Nghĩa hẹp là dạng cực kháng, có nghĩa tác nhân gây bệnh không thể gây bệnh cho cây (chú ý phân biệt với nghĩa rộng của miễn dịch thực vật) 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 intereaction). 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. 9
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 ra 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 (quanlitative 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 (Quatitative 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 bệnh 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. 10
- 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, chết cục bộ. Vết chết hoại này sẽ ngăn không cho tác nhân gây bệnh phát triển tiếp. Tài liệu tham khảo đọc thêm Nurnberger et al. 2004. Innate immunity in plants and animals: striking similarities and obvious differences. Immunological Reviews. Vol. 198: 249–266. Nhằm tìm hiểu sự giống nhau và khác nhau của MDĐV và MDTV. Marie-Pierre et al. 2007. Resistance to pathogens and host developmental stage: a multifaceted relationship within the plant kingdom. New Phytologist. 175: 405–416. Nhằm hiểu tính kháng giai đoạn. Vale et al. 2001. Concepts in plant disease resistance. Fitopatologia Brasileira. 26:577- 589. Nhằm hiểu các khái niệm tính kháng bệnh. Đọc thêm: http://nfs.unipv.it/nfs/minf/dispense/immunology/immun.html 11
CHƯƠNG 2. CƠ CHẾ GÂY BỆNH CỦA TÁC NHÂN GÂY BỆNH 1. Cấu tạo tế bào thực vật Tế bào thực vật bao gồm 3 phần: vách tế bào (cell wall), màng tế bào (cell membrane) và tế bào chất (cytoplasm). Các tế bào liên hệ với nhau qua sợi liên bào. Hai phần được trình bày kỹ hơn ở đây là vách tế bào và màng tế bào. 1.1. Vách tế bào. Một trong những chức năng sinh học quan trọng của vách tế bào thực vật là bảo vệ tế bào khỏi sự tấn công của các tác nhân gây hại. Vách tế bào thực vật gồm 3 lớp, tính từ ngoài vào trong là: phiến giữa, vách sơ cấp và vách thứ cấp. Đặc điểm quan trọng của vách tế bào thực vật là được cấu tạo chủ yếu từ các loại polysaccharid khác nhau như pectin, cellulose, hemicelulose. Ngoài ra, vách tế bào cũng chứa một số các chất khác như glycoprotein, lignin. Lignin lấp đầy khoảng không trong vách tế bào giữa các phân tử cellulose, hemicellulose và pectin. Lignin liên kết đồng hóa trị với hemicelulose và do đó tạo mối liên kết chéo giữa các phân tử polysaccharid và tạo sự vững chắc cơ học của vách tế bào. 1.1.1. Phiến giữa (middle lamella) Là lớp phía bên ngoài nhất, có chức năng gắn kết các tế bào với nhau và hình thành lỗ liên bào. Phiến giữa được cấu tạo chủ yếu bằng pectin. 1.1.2. Vách sơ cấp (primary cell wall) Phía dưới phiến giữa là vách sơ cấp. Vách sơ cấp hình thành cùng với sự phân chia tế bào. Vách sơ cấp gồm một mạng lưới các vi sợi cấu tạo từ cellulose. Hệ sợi này được bao bọc bởi các chất giống như gel gồm các hợp chất pectic, hemicellulose, và glycoproteins 1.1.3. Vách thứ cấp (secondary cell wall) Vách thứ cấp hình thành sau khi tế bào đã phát triển đầy đủ. Vách thứ cấp rất rắn chắc, thường phân lớp và được cấu tạo từ cellulose, hemicellulose và lignin 1.1.4. Các chất cấu tạo nên vách tế bào Pectin. Pectin là chuỗi polymer mạch thẳng của galacturonic acid (polygalacturonic acid), trong đó có chứa một số ít các phân tử đường rhamnose, galactose và xylanose. Pectin là thành phần chủ yếu của phiến giữa vách tế bào nhưng cũng thấy ở vách sơ cấp. Cellulose. Cellulose là chuỗi polymer của đường glucose. Hemicellulose Hemicellulose là polymer mạch ngắn, phân nhánh. Xyloglucan (chứa đường xylose) là loại hemicellulose phổ biến nhất gồm chuỗi chính là glucose với các 12
chuỗi bên là xylose và một số ít đường galactose, arabinose và fucose. Hemicellulose hình thành các liên kết hydro để liên kết các sợi cellulose với nhau. Lignin. Lignin là polimer có cấu trúc 3 hướng với đơn vị cấu trúc cơ bản nhất là phenylpropanoid với 1 hoặc nhiều phân tử carbon có 1 nhóm –OH, -OCH3 hoặc =O.. Lignin rất bền khó bị phân giải bởi vi sinh vật. 1.2. Màng tế bào Phía trong vách tế bào là màng tế bào. Màng tế bào có tính thấm chọn lọc và có 2 chức năng chính: (i) là rào cản giữ các chất cần thiết bên trong tế bào và ngăn các chất không cần thiết bên ngoài tế bào, và (ii) là kênh vận chuyển các chất cần thiết vào trong tế bào và thải các chất không cần thiết ra khỏi tế bào. Màng tế bào (còn được gọi là màng plasma, màng kép phospholipids) là một lớp màng kép được cấu tạo bởi các phân tử phospholipid. Phân tử phospholipid gồm 2 phần: phần đầu phosphate phân cực, ưa nước và phần đuôi lipid không phân cực, ghét nước. Các phân tử phospholipids của lớp màng kép xắp xếp sao cho đầu ưa nước hướng ra ngoài (về 2 phía của màng) và đầu ghét nước hướng vào trong. Gắn vào màng là nhiều loại protein chức năng. Các protein nằm vắt ngang màng được gọi là các protein xuyên màng (transmembrane proteins); các protein gắn phía ngoài màng hướng ra môi trường được gọi là các protein bề mặt; còn các protein gắn trên màng về phía trong tế bào được gọi là các protein ngoại vi (peripheral proteins). Nhiều protein trên màng liên kết với các phân tử carbonhydrate và được gọi là glycoprotein. Các protein trên màng có nhiều chức năng sinh học. Một số tham gia quá trình vận chuyển các chất vào và ra tế bào; một số là các phân tử receptor liên kết với các phân tử cung cấp thông tin và sau đó truyền tín hiệu tương ứng vào bên trong tế bào. 1.3. Các chất bề mặt của cây Lớp tế bào biểu bì của lá cây còn được bao phủ bởi một tầng cutin (là một polyester của acid béo) và trên cùng là một lớp sáp. Ngoài ra, ở lớp biểu bì của mô vỏ và các bộ phận dưới mặt đất như rễ, củ còn có suberin. 2. Đặc điểm chung của tác nhân gây bệnh cây 2.1. Nấm gây bệnh cây  Trên 80% số bệnh hại cây trồng là do nấm gây ra. Nấm thực ra gồm 2 nhóm nấm thật (fungi) và các vi sinh vật giống nấm (ví dụ các loại sương mai). Tuy nhiên do đặc điểm cấu tạo và tính chất gây bệnh nên đều được gọi chung là nấm.  Phần lớn nấm có cơ quan sinh trưởng là sợi nấm có cấu tạo dạng sợi, hợp thành một tản nấm  Sợi nấm đa bào hoặc đơn bào, phân nhánh.  Không có diệp lục, dị dưỡng  Sinh sản tạo ra bào tử ; quá trình xâm nhiễm của nấm thường bắt đầu từ bào tử  Tế bào sợi nấm có vách tế bào, nhân; tế bào chất có không bào và các bào quan. 13
 Cấu tạo vách tế bào của nấm và các visinh vật giống nấm gồm : • Nấm thật : vách tế bào gồm 1 lớp chitin (là các chuỗi N-acetyl-D-glucosamine không phân nhánh), 1 lớp β-1,3-glucan và 1 lớp mannoproteins (glycoprotein chứa đường mannose) • VSV giống nấm (vd các nấm sương mai): vách tế bào không có chitin nhưng được cấu tạo bởi cellulose và glucan. 2.2. Vi khuẩn gây bệnh cây  Hiện có khoảng 1600 loài vi khuẩn, phần lớn hoại sinh (có lợi).  Khoảng 100 loài gây bệnh thực vật  Hình thái : Phần lớn hình gậy, 2 đầu tù  Kích thước : 1 - 3 x 0.3 - 0.5 µm  Là vi sinh vật tiền nhân (không có nhân thật), đơn bào.  Cấu tạo: Tế bào vi khuẩn cũng gồm 3 phần là vách tế bào, màng tế bào và tế bào chất. Vách tế bào : o Làm tế bào có hình dạng cố định o Cấu tạo khác nhau giữa vi khuẩn gram (-) và gram (+) : Gram (-) chủ yếu chứa lipopolysaccharid còn Gram (+) chủ yếu chứa peptidoglican. o Bên ngoài vách có lớp nhày Màng tế bào o Cấu tạo bằng lipoprotein o Có tính bán thấm o Chứa nhiều enzim cần cho hoạt động sống của tế bào Tế bào chất o Thiếu lục lạp và ti thể o Thể nhân là nhiễm sắc thể (DNA dạng vòng), kích thước lớn o Plasmid (DNA sợi đơn, dạng vòng, kích thước nhỏ và tái sinh độc lập với nhiễm sắc thể) Lông roi o Phần lớn có lông roi, giúp vi khuẩn di động o Có thể 1 lông roi (Xanthomonas), 1 chùm lông roi (Pseudomonas) ở đầu hoặc lông roi bao quanh tế bào (Erwinia). 2.3. Virus thực vật  Hiện có khoảng hơn 2000 loài virus.  Khoảng 1000 loài gây bệnh thực vật  Cá thể virus được gọi là phân tử virus (virion).  Phân tử virus có kích thước rất nhỏ (vài chục tới vài trăm nm) nên chỉ có thể quan sát được bằng kính hiển vi điện tử (độ phóng đại tối thiểu 100.000 x). 14
 Hình thái : Hình sợi mềm, hình gậy, hình chùy, hình nhộng và hình cầu đa diện  Tác nhân gây bệnh đặc biệt không có cấu tạo tế bào.  Thường chỉ gồm hai thành phần chính là acid nucleic và protein.  Axit nucleic của đa số virut thực vật là ARN, một số ít là ADN.  Acid nucleic nằm ở bên trong được bao bọc bằng một lớp vỏ ngoài protein.  Sinh sản : Sau khi xâm nhập tế bào ký chủ, sự tái sinh virus trải qua 4 giai đoạn: o Tháo vỏ để giải phóng bộ gien virus o Tổng hợp protein virus o Tổng hợp bộ gien mới của virus o Lắp ráp phân tử virus mới Virus chỉ mã hóa một số ít gien nên sự sinh sản của virus trong tế bào cây phụ thuộc hoàn toàn vào bộ máy tổng hợp axit nucleic và protein của ký chủ mặc dù các protein của virus cũng có tham gia vào quá trình này. Ví dụ: Papaya ringspot virus (gây bệnh đốm hình nhẫn đu đủ có 9 gien. Tham khảo : giáo trình bệnh cây nông nghiệp (2001) hoặc giáo trình bệnh cây đại cương (2007). 3. Cơ chế gây bệnh của tác nhân gây bệnh Để có thể gây bệnh cho cây, tác nhân gây bệnh nhìn chung cần phải:  Tiếp xúc khả nhiễm trên bề mặt kí chủ.  Xâm nhập vào trong cây hoặc tế bào  Thực hiện quá trình dinh dưỡng ký sinh để sinh trưởng và sinh sản. Trong quá trình tiếp xúc khả nhiễm trên bề mặt lá, thân, rễ (trước khi xâm nhập) và cả trong quá trình dinh dưỡng bên trong mô và tế bào sau khi xâm nhập thì giữa tác nhân gây bệnh và ký chủ hình thành nhiều tương tác hóa học để một mặt tác nhân gây bệnh khắc phục tính kháng của cây và mặt khác cây hình thành tính kháng. Do cấu tạo của thực vật, nhìn chung, tác nhân gây bệnh sử dụng 2 kho vũ khí để xâm nhập và thực hiện quá trình dinh dưỡng là vật lý và hóa học. 4. Quá trình xâm nhập của tác nhân gây bệnh vào trong cây và tế bào 4.1. Xâm nhập (penetration)của nấm vào trong cây Nấm có thể xâm nhập vào trong cây bằng sợi nấm hoặc bào tử. Phần lớn nấm xâm nhập bằng bào tử. Trước khi xâm nhập, bào tử phải tiếp xúc với bề mặt ký chủ. Gặp điều kiện thuận lợi (ẩm độ, nhiệt độ), bào tử nấm nảy mầm thành ống mầm. Tùy thuộc loại nấm, nấm có thể xâm nhập vào bên trong cây trực tiếp hoặc gián tiếp 4.1.1. Trực tiếp qua bề mặt ký chủ nguyên vẹn (chủ động). Nhiều loại nấm có thể xâm nhập trực tiếp qua bề mặt nguyên vẹn (lá, rễ…) của cây ký chủ vào trong cây nhờ lực cơ học và enzyme. 15
• Bào tử một số loại nấm, ví dụ bào tử động nấm Phytophthora (gây bệnh thối gốc rễ) Plasmodiophora brassicae (gây bệnh sưng rễ bắp cải) nảy mầm thành ống mầm xâm nhập trực tiếp qua bề mặt rễ. Bào tử một số loại nấm, ví dụ bào tử phân sinh nấm Alternaria (gây bệnh đốm vòng), 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 các enzyme để làm mềm bề mặt tạo điều kiện cho sự xâm nhập. • Đối với một số loại nấm, ví dụ nấm Pyricularia oryzae (gây bệnh đạo ôn lúa), Colletotrichum (gây bệnh thán thư), Oidium (gây bệnh phấn trắng), 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 áp/vòi bám/đĩa áp (appressorium). Giác bám hình thành đế xâm nhập hay còn gọi là vòi xâm nhập/móc xâm nhập (penetration peg) đâm xuyên qua mặt ký chủ gồm tầng cutin và vách tế bào. Giác bám tích lũy nhiều carbonhydrate, chủ yếu là glycerol và do áp lực thẩm tích cao sẽ hút nước từ bên ngoài vào trong giác bám và tạo ra một áp suất trương rất lớn (giác bám của nấm phấn trắng có thể tạo áp suất trương 20-40 at, của nấm đạo ôn lúa Pyricularia oryzae là khoảng 80 at; để so sánh: áp suất trong lốp xe hơi khoảng 2-3 at). Áp suất trương cao sẽ cho phép nấm xâm nhập qua bề mặt ký chủ bằng đế 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 enzym để hỗ trợ sự xâm nhập như các cellulose và pectinase. Trong nhiều trường hợp, ví dụ như ở nấm đạo ôn, sự xâm nhập chỉ có thể xảy ra nếu vách giác bám tích lũy melanin (sắc tố đen). Sự tích lũy melanin làm vách giác bám rắn cứng. 4.1.2. Qua lỗ mở tự nhiên (thụ động) Một số loại nấm sẽ xâm nhập vào cây qua lỗ mở tự nhiên như khí khổng, thủy khổng, bì khổng. Ví dụ, bào tử nấm Cercospora (gây bệnh đốm mắt cua), bào tử nấm gỉ sắt nảy mầm thành ống mầm xâm nhập qua khí khổng. 4.1.3. Qua các vết thương cơ giới, các vết nứt tự nhiên (thụ động) Một số nấm có thể xâm nhập qua các vết tổn thương cơ giới hoặc các vết nứt tự nhiên. Ví dụ, bào tử nấm Fusarium oxysporum nảy mầm thành ống mầm xâm nhập qua vết nứt hình thành khi rễ bên nhú ra từ rễ chính. Cần chú ý là đối với nhiều loài nấm, chúng có thể vừa xâm nhập chủ động, vừa xâm nhập chủ động. 4.2. Xâm nhập của vi khuẩn Mặc dù vi khuẩn có thể di động nhờ lông roi trong màng nước nhưng do không 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 lỗ mở tự nhiên như khí khổng, thuỷ khổng, và qua vết thương cơ giới trên lá, rễ. Trên lá, điều kiện có màng nước là cần thiết để vi khuẩn di chuyển tới lỗ mở. Một số vi khuẩn lan truyền nhờ vector sẽ xâm nhập vào cây nhờ vector như vi khuẩn Erwinia tracheiphila (gây bệnh héo bầu bí) xâm nhập nhờ bọ cánh cứng (Acalymma vittata). Một số loại vi khuẩn biệt dưỡng cũng xâm nhập vào cây nhờ vector như Candidatus liberobacter asiaticus (bệnh greening cây có múi) xâm nhập nhờ rầy chổng cánh (Diaphorina citri). 16
4.2.1. Xâm nhập của virus, mollicute (phytoplasma, spiroplasma) 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. Tất cả mollicus xâm nhập vào cây nhờ vector côn trùng chẳng hạn Phytoplasma gây bệnh trắng lá mía. 4.3. Dinh dưỡng ký sinh của tác nhân gây bệnh Sau khi đã hoàn thành quá trình xâm nhập qua bề mặt ký chủ, tác nhân gây bệnh thực hiện quá trình dinh dưỡng ký sinh. Tùy thuộc nhóm mà tác nhân gây bệnh có các hình thức dinh dưỡng khác nhau. Đối với nấm. Để hấp thụ dinh dưỡng, nhiều loài, chủ yếu thuộc nhóm sinh dưỡng bắt buộc (obligate biotroph) chẳng hạn các nấm sương mai, gỉ sắt, phấn trắng hoặc một số loài thuộc nhóm bán sinh dưỡng (semibiotroph) như Pyricularia orizae tạo ra các cấu trúc gọi là vòi hút (haustorium) bên trong tế bào ký chủ để hấp thụ dinh dưỡng. Các nấm thuộc nhóm sinh dưỡng (biotroph) thường không giết chết tế bào nhưng các nấm thuộc nhóm bán sinh dưỡng (semibiotroph) có thể giết chết tế bào ký chủ về sau. Trái lại, các nấm thuộc nhóm hoại dưỡng (necrotroph) chẳng hạn nấm Rhizoctonia, Sclerotium, thường không tạo thành vòi hút và ngay trong quá trình xâm nhập, chúng đã tiến hành phân hủy tế bào và mô bằng enzyme và độc tố. Đối với vi khuẩn và mollicute. Sau khi xâm nhập vào trong mô, vi khuẩn không hình thành bất cứ 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, vật chất hữu cơ để hấp thụ qua màng tế bào. Đối với virus. Virus có hình thức dinh dưỡng đặc biệt hơn. Vì số lượng gen mã hóa bởi virus rất ít nên quá trình tái sinh virus phụ thuộc vào vật liệu (amino acid, nucleotide), bộ máy tổng hợp acid nucleic, năng lượng (chủ yếu dưới dạng các hợp chất cao năng như ATP), và bộ máy dịch mã (ribosome, tRNA và các enzyme liên 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 cho cây nhờ sự tương tác giữa protein virus (mặc dù ít) với các chất chịu trách nhiệm cho chức năng sinh lý của tế bào ký chủ. Ví dụ (1) protein replicase của 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 và (2) protein Rep của các geminivirus tương tác với protein tương tự Retinoblastoma (pRBR) của tế bào ký chủ chịu trách nhiệm điều khiển chu kỳ tế bào. 4.4. Các enzyme của tác nhân gây bệnh Trong quá trình xâm nhiễm gây bệnh, các tác nhân gây bệnh như nấm, vi khuẩn và cả tuyến trùng thường tiết ra nhiều enzyme. 4.4.1. Các enzyme phân hủy vách tế bào. Cutinase. Nhiều loài nấm có khả năng tiết cutinases để phân hủy lớp cutin trên bề mặt lá và làm mềm mô giúp cho quá trình xâm nhập cơ học được thuận lợi. Cutinase phân cắt phân tử cutin và tạo ra nhiều các phân tử nhỏ oligomer là các dẫn xuất của acid béo. Các loại nấm có kiểu xâm nhập trực tiếp lúc đầu tiết ít cutinase và tạo ra một lượng nhỏ các phân tử monomer (sản phẩm của quá trình phân hủy cutin). Các monomer này xâm nhập trở lại vào cơ thể nấm, kích thích sự biểu hiện của các gen cutinase dẫn tới nấm tiết ra nhiều cutinase hơn (có thể tăng vài ngàn lần). Nhìn chung, cutinase được tiết ra nhiều 17
nhất tại điểm xâm nhập của của ống mầm hoặc tại đế xâm nhiễm của các loại nấm tạo vòi áp. Một số loại nấm vốn thường xâm nhập qua khí khổng không tạo cutinase nhưng sẽ có khả năng xâm nhập trực tiếp nếu bổ sung gen tạo cutinase vào cơ thể chúng. Các chủng nấm tạo nhiều cutinase thường có độc tính cao hơn các chủng nấm tạo ít cutinase. Ví dụ bào tử của một chủng Fusarium độc tạo nhiều cutinase hơn bào tử của chủng không độc và chủng không độc trở thành chủng độc nếu bổ sung cutinase vào bào tử của nó. Pectinase. Các tác nhân gây bệnh như nấm, vi khuẩn và tuyến trùng có thể tiết pectinase bao gồm pectin methyl esterase (PME), polygalacturonase (PG) và pectin lyase hay transeliminase. PME loại bỏ nhóm methyl (CH3) dẫn tới làm biến đổi độ hòa tan của pectin và do đó ảnh hưởng đến tốc độ phân cắt chuỗi pectin do PG và pectin lyase chịu trách nhiệm. PG cắt chuỗi pectin bằng cách thêm một phân tử nước còn pectin lyases cắt chuỗi bằng cách loại bỏ một phân tử nước. Giống như đối với cutinase, khả năng tiết các pectinase ngoại bào được điều khiển bởi lượng pectin và lượng sản phẩm phân cắt của nó như các phân tử galacturonan. Các phân tử galacturonan, khi được hấp thụ bởi tác nhân gây bệnh sẽ kích thích tác nhân gây bệnh tiết nhiều pectinase hơn nữa. Khả năng tiết các enzyme pectinase cao là đặc điểm quan trọng của các tác nhân gây các bệnh thối mềm như vi khuẩn Erwinia carotovora pv. carotovora (bệnh thối nhũn bắp cải) hoặc các nấm hoại dưỡng như Sclerotinia sclerotiorum, Rhizoctonia solani. Tuyến trùng, ví dụ Meloidogyne, cũng tiết pectinase để tạo điều kiện xâm nhập và di chuyển trong mô cây. Cellulase, hemicelulase. Các tác nhân gây bệnh như nấm, vi khuẩn và tuyến trùng có thể tiết các enzyme cellulase và hemicelluase để phân hủy vách tế bào ký chủ. Các enzyme cụ thể của nhóm này bao gồm xylanase, galactanase, glucanase, arabinase... Ligninase. Lignin là hợp chất rất bền và chỉ có một số ít vi sinh vật có khả năng phân giải lignin (khoảng 500 loài nấm, phần lớn là các nấm đảm, có thể phân hủy lignin nhờ tiết enzyme ligninase). 4.4.2. Enzyme phân giải vật chất trong tế bào ký chủ. Tất cả các nhóm tác nhân gây bệnh (ngoại trừ virus), trong quá trình gây bệnh đều tiết các enzym phân giải các hợp chất hữu cơ của tế bào: Protease, peptidase, amylase, maltase, lipase, phospholipase...để phân hủy protein, các hợp chất carbonhydrate và chất béo. 4.5. Độc tố của tác nhân gây bệnh Trong quá trình gây bệnh, tác nhân gây bệnh có thể tạo ra một số các chất gây độc cho tế bào và mô của cây gọi là độc tố. Độc tố có một số đặc điểm chung sau: 1. Hai nhóm tác nhân gây bệnh tạo độc tố được nghiên cứu nhiều nhất là nấm và vi khuẩn, phần lớn là nhóm hoại dưỡng (necrotroph) 2. Độc tố không có bản chất enzyme nhưng đa dạng về thành phần và cấu trúc hóa học. 3. Độc tố tác động lên tế bào ở nồng độ rất thấp. 4. Độc tố thường do tác nhân gây bệnh tổng hợp trong cây nhưng cũng có thể trên môi trường nhân tạo. 5. Độc tố tác động lên nhiều chức năng sinh lý của tế bào cây, chủ yếu thông qua sự tương tác với các enzyme chức năng của tế bào. 18
6. Độc tố có thể đóng vai trò như tác nhân qui định tính độc (còn gọi là yếu tố độc – virulent factor), tác động phụ thuộc số lượng và làm thay đổi triệu chứng. Độc tố cũng có thể đóng vai trò như tác nhân qui định tính gây bệnh (còn gọi là yếu tố gây bệnh – pathogenic factor), tác động phụ thuộc chất lượng (có nghĩa phụ thuộc sự có mặt hay không có mặt của độc tố). 7. Một số độc tố cũng có thể gây hại cho động vật 8. Chức năng: Giết chết 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 Trong bệnh cây, độc tố của tác nhân gây bệnh được chia làm 2 nhóm chính: (1) độc tố không chọn lọc ký chủ (nonhost-selective hay nonhost-specific toxin, viết tắt là NST) và (2) độc tố chọn lọc ký chủ (host-selective hay host-specific toxin, viết tắt là HST). Phần lớn độc tốc thuộc nhóm 2. 4.5.1. Độc tố không chọn lọc ký chủ (NST) Độc tố không chọn lọc ký chủ có các đặc điểm sau:  Tác động không chọn lọc: tác động đến không chỉ loài cây ký chủ của tác nhân gây bệnh mà còn tác động đến nhiều loài cây khác không phải là ký chủ của tác nhân gây bệnh.  Thường là yếu tố độc có nghĩa làm tăng tính độc của tác nhân gây bệnh (tăng mức độ biểu hiện triệu chứng)  Về cơ chế tác động: một số độc tố (vd tabtoxin, phaseolotoxin) ức chế enzyme của tế bào ký chủ dẫn tới tích lũy các chất tới mức đầu độc tế bào hoặc dẫn tới làm thiếu hụt nghiêm trọng các chất cần thiết cho tế bào  Một số ví dụ điển hình: Tabtoxin. Tabtoxin do vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tabaci gây bệnh đốm cháy (wildfire) thuốc lá. Một số chủng (gọi là các chủng tạo độc tố) của vi khuẩn này tạo vết đốm với quầng vàng trên lá thuốc lá. Dịch lọc vi khuẩn nuôi cấy trên môi trường nhân tạo hoặc độc tố tinh chiết tạo ra triệu chứng giống hệt với triệu chứng không chỉ trên thuốc lá mà còn trên nhiều loài cây thuộc nhiều họ thực vật khác nhau. Một số chủng bị đột biến mất khả năng tạo tabtoxin (ký hiệu là chủng Tox-) có tính độc giảm và tạo ra vết đốm chết hoại nhng không có quầng vàng. Tabtoxin là một dipeptide gồm 2 amino acid (threonin - tabtoxinin). Bản thân tabtoxin không độc nhưng ở trong tế bào, tabtoxin bị thủy phân thành threonin và tabtoxinin. Tabtoxinin là một chất độc vì nó làm bất hoạt glutamine synthetase (cần cho tổng hợp glutamine từ glutamate và NH3) dẫn tới suy giảm nghiêm trọng lượng glutamine trong tế bào đồng thời tích lũy quá nhiều NH3. Hậu quả của sự tích lũy NH3 là tế bào không kết hợp giữa quang hợp và quang hô hấp, phá hủy màng lục lạp dẫn tới tạo ra đốm biến vàng và cuối cùng mô bị chết hoại (có quầng vàng bao quanh). Tabtoxin cũng làm giảm khả năng phản ứng chủ động của cây đối với vi khuẩn. Phaseolotoxin Phaseolotoxin do vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. phaseolicola gây bệnh đốm quầng (halo blight) đậu đỗ. Cây nhiễm bệnh hay được xử lý với Phaseolotoxin đều 19
tạo triệu chứng giống nhau: giảm sinh trưởng của lá, phá vỡ mô đỉnh và tích lũy ornithin (một amino acid). Phaseolotoxin là một tripeptide gồm 3 amino acid (N-[N'-sulfo - diaminophosphinyl]- ornithyl-alanyl-homoarginine). ornithin – alanine – và arginin) chá một nhóm phosphosulfinyl. Ngay khi vi khuẩn tiết ra phaseolotoxin, enzyme của cây sẽ cắt các liên kết peptid để giải phóng alanine, arginine và phosphosulfinylornithine. Phosphosulfinylorthinin có hoạt tính sinh học Độc tố ảnh hưởng đến tế bào bằng cách bất hoạt enzyme ornithine carbamoyltransferase chịu trách nhiệm chuyển ornithine thành citrulline – tiền chất của arginine. Hậu quả là tế bào tích lũy quá mức ornithine và suy giảm nghiêm trọng citrulline và arginine. Phaseolotoxin còn ảnh hưởng tới tổng hợp pyrimidine, giảm hoạt tính ribosome, tương tác với quá trình tổng hợp lipid, thay đổi tính thấm của màng, tích lũy tinh bột trong lục lạp. Tentoxin Tentoxin do nấm Alternaria alternata tạo ra. A. alternata là loại nấm gây bệnh đốm và biến vàng trên nhiều loại cây. Tentoxin là một tetrapeptide vòng, tương tác với một protein liên quan đến dẫn truyền năng lượng vào lục lạp (Chloroplast F(1)-ATPase (CF(1)). Độc tố cũng cũng ức chế quá trình quang phosphoryl hóa (photophosphorylation). Ở những loài cây mẫn cảm, tentoxin ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của lục lạp dẫn tới mô bị biến màu do không thể tổng hợp được chlorophyll. Ngoài ra, tentoxin còn ức chế hoạt tính của các polyphenol oxydase cần cho phản ứng phòng thủ của cây. Cercosporin Cercosporin là độc tố do nấm Cercospora tiết ra. Nấm Cercospora gây nhiều bệnh đốm lá trên cây (Vd C. nicotianae gây bệnh đốm mắt cua thuốc lá). Cercosporin là là 1 perylenequinon có đặc điểm khác so với nhiều độc tố khác là chỉ gây độc tế bào thực vật khi được hoạt hóa bởi ánh sáng. Cercosporin hấp thụ năng lượng ánh sáng trở thành trạng thái hoạt hóa. Cercosporin hoạt hóa phản ứng với oxy để tạo thành các lớp oxy hoạt hóa độc với tế bào (Vd như peroxide (O2-) sẽ oxy hóa lipid của màng tế bào). 4.5.2. Các độc tố chọn lọc ký chủ (HST) Độc tố chọn lọc ký chủ có các đặc điểm sau:  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.  Một số ví dụ Victorin (HV toxin). HV toxin do nấm Cochliobolus victoriae tổng hợp trên cây đại mạch. Nấm bệnh xuất hiện tại Mỹ nằm 1945, nhiễm bệnh trên giống đại mạch (oat) Victoria. Chỉ có chủng nấm tạo HV toxin mới có khả năng gây bệnh trên giống đại mạch này. Victorin là một pentapeptide, gây hại màng tế bào ký chủ, ức chế enzyme glycin decarbolylase do đó ảnh hưởng đến quang hô hấp của tế bào. T toxin. 20