Đang tải... (xem toàn văn)
Các cây và các tác nhân gây bệnh có mối liên hệ phức tạp luôn ảnh hưởng đến nhau giữa chúng có sự tương tác. Đôi khi các tác nhân gây bệnh có thể gây bệnh thành công trên cây ký chủ, trong khi thường là cây chủ hiển thị kháng bệnh thành công. Flor phát hiện ra một mô hình của kháng được gọi là gene đối gen mà ở đó một gen duy nhất của mầm bệnh thực vật tương ứng với một gen kháng duy nhất của cây ký chủ. Ý kiến này đã được chứng minh là có giá trị trong việc nhân giống cây trồng và sản xuất ra các cây có chứa gen kháng bệnh mà các nhà nghiên cứu sử dụng sự kết hợp của các gen kháng để xây dựng giống kháng với các chủng gây bệnh nguy hiểm của tác nhân gây bệnh cụ thể.
ĐẶT VẤN ĐỀ. Các tác nhân gây bệnh có mối liên hệ phức tạp ảnh hưởng đến chúng có tương tác. Đôi tác nhân gây bệnh gây bệnh thành công ký chủ, thường chủ hiển thị kháng bệnh thành công. Flor phát mô hình kháng gọi gene - đối gen mà gen mầm bệnh thực vật tương ứng với gen kháng ký chủ. Ý kiến chứng minh có giá trị việc nhân giống trồng sản xuất có chứa gen kháng bệnh mà nhà nghiên cứu sử dụng kết hợp gen kháng để xây dựng giống kháng với chủng gây bệnh nguy hiểm tác nhân gây bệnh cụ thể. Bản chất tượng kháng tương tác trồng với tác nhân gây bệnh. Giống tạo gọi giống kháng (resistant) chủng tác nhân gây bệnh gọi chủng không độc (avirulent). Nhưng thực tiễn đen giống kháng đồng thời gian sau tính kháng bị biến mất. Từ người ta rút kết luận quần thể chủng tác nhân gây bệnh hình thành đột biến khắc phục tính kháng giống kháng bệnh. Trong trường hợp này, chủng tác nhân gây bệnh trở thành chủng độc (virulent) giống kháng đó. Vì để tồn lâu dài tác nhân gây bệnh ký chủ dường có mối quan hệ đồng tiến hóa. Mối quan hệ đồng tiến hóa giả thích thuyết gen-đối-gen. http://www.ag.ndsu.edu/plantpath/history Harold Henry Flor (1900-1991), nhà bệnh học người Mỹ. Mặc dù người sử dụng thuật ngữ gen-đối-gen, ông người chứng minh biểu bệnh hậu mối tương tác tác nhân gây bệnh ký chủ di truyền được. Flor xây dựng thuyết gen-đối-gen dựa nhiều thí nghiệm di truyền tính gây bệnh tính độc tổ hợp lai chủng sinh lý nấm Melampsora lini gây bênh gỉ sắt lanh (Linum usitatissimum) giống lanh có tính kháng mẫn cảm khác với nấm. Các thí nghiệm chủ yếu thực từ năm 1940 đến 1960. THÍ NGHIỆM VỀ BỆNH GỈ SẮT CÂY LANH CỦA FLOR 1.1. Đặc điểm nấm gỉ sắt Melampsora lini. Nấm M. lini thuộc họ Melampsoraceae, Uredinales, lớp nấm đảm Basidiomycetes với nhiễm sắc thể n = 18. M. lini nấm gỉ sắt đồng chủ ( hoàn thành vòng đời ký chủ). Nấm có chu kỳ lớn tạo đủ loại bào tử vòng đời, theo trình tự bào tử giống – bào tử xuân – bào tử hạ bào tử đông - bào tử đảm. Vòng đời nấm phức tạp gồm pha đơn bội song hạch (2 nhân). Nấm qua đông dạng bào tử đông lưỡng bội (2n) tàn dư ký chủ. Vào mùa xuân, nhân lưỡng bội bào tử đông giảm nhiễm thành nhân đơn bội (1n) bào tử đông nảy mầm thành đảm, từ đảm hình thành bào tử đơn bội gọi bào tử đảm (1n). Bốn bào tử đảm khác kiểu ghép cặp (mating type) bào tử thuộc kiểu ghép cặp (+) bào tử lại thuộc kiểu ghép cặp (-). Bào tử đảm tách khỏi đảm, phát tán tiếp xúc bề mặt lanh. Trong điều kiện đủ ẩm, bào tử đảm nảy mầm xâm nhập qua biểu bì hình thành sợi nấm đơn bội mô lá. Trong mô lá, sợi nấm phát triển gian bào hình thành vòi hút bên tế bào để hấp thụ dinh dưỡng. Ở pha đơn bội này, nấm loài dị tản (heterothallic) có nghĩa cá thể (sợi nấm) thuộc kiểu ghép cặp (-) thuộc kiểu ghép cặp (+). Tiếp theo, sợi nấm đơn bội hình thành quan sinh sản khác nhau. (1) phía biểu bì trên, nấm tạo ổ bào tử giống dạng bình tam giác có lỗ mở, bên chứa bào tử giống (1n) đóng vai trò giao tử đực. Nhô khỏi lỗ mở ổ bào tử giống sợi nấm hữu thụ, phân nhánh, vách ngăn gọi sợi tiếp nhân. (2) Ở phía biểu bì dưới, cá thể nấm, sợi nấm hình thành tiền ổ bào tử xuân (gồm sợi nấm tụ tập lại) chứa tế bào gốc (basal cells) đóng vai trò giao tử cái. http://www.asturnatura.com/especie/melampsora-lini.html Quá trình sinh sản hữu tính bắt đầu bào tử giống khác kiểu ghép cặp (ví dụ +) tiếp xúc dung hợp (fusion) với sợi tiếp nhận (ví dụ -). Sau dung hợp, nhân bào tử giống (+) di chuyển dọc sợi tiếp nhận (-), vượt qua vách ngăn tế bào sợi nấm (-) tiến tới tiền ổ bào tử xuân (-), cuối tới tế bào gốc (-) để tạo thành tế bào gốc chứa nhân (- +). Tiền ổ bào tử xuân phát triển thành ổ bào tử xuân có lỗ mở, bên hình thành bào tử xuân nhân (n+n) mọc thành chuỗi. Bào tử xuân giải phóng khỏi ổ bào tử xuân, phát tán nhờ gió, tiếp xúc, xâm nhập vào mô lá, thân hình thành sợi nấm nhân mô. Sợi nấm nhân hình thành ổ bào tử hạ chứa nhiều bào tử hạ nhân. Bào tử hạ tiếp tục phát tán tạo nhiều chu kỳ xâm nhiễm mới. Vào mùa thu, tàn dư bệnh, sợi nấm nhân hình thành ổ bào tử đông chứa bào tử đông hình trụ. Lúc đầu, tế bào bào tử đông gồm nhân riêng biệt thời gian ngủ nghỉ, nhân tiến hành hợp nhân (karyogamy) để tạo thành nhân lưỡng bội (2n). Như bào tử đông thành thục bào tử đơn nhân lưỡng bội ngủ nghỉ qua đông để tới mùa xuân bắt đầu chu kỳ bệnh mới. Như vậy, nấm gỉ sắt lanh có pha nhân chiếm ưu chu kỳ phát triển. Vì sợi nấm hay bào tử nhân chứa kiểu gen bố mẹ nên di truyền tính gây bệnh tính độc nấm phân tích theo qui luật di truyền Menden. 1.2. Đặc điểm ký chủ. http://prgdb.crg.eu/organism.php?name=Linum_usitatissimum Cây lanh (Linum usitatissimum) tự thụ, có nguồn gốc từ phía đông Địa Trung Hải đến Ấn Độ trồng rộng rãi Ai Cập cổ đại,được trồng chủ yếu để lấy hạt, dầu sợi. Vào năm 30, nhà bệnh Mỹ xác định lanh kháng bệnh gỉ sắt tính kháng điều khiển di truyền với kiểu hình kháng trội so với kiểu hình nhiễm. Cho tới nay, 31 gen kháng bệnh gỉ sắt phát lanh. Các gen nằm loci ký hiệu K (2 gen), L (13 gen), M (3 gen), N (6 gen) P (13 gen). Trong năm 40 50, Flor sử dụng nhiều giống lanh kháng bệnh để nghiên cứu di truyền tính kháng bệnh lanh. Các giống lanh giống thuần, đồng hợp tử tính trạng kháng nhiễm gọi giống thị 1.3. Các thí nghiệm Flor. Vào năm 1940, trước DNA cho thấy có trách nhiệm kế thừa, nghiên cứu bệnh học nghiên cứu bệnh gỉ sắt lanh. Năm 1942, Flor lai chủng nấm số với số 22. Khi thử tính gây bệnh 67 cháu F2 12 giống thị ông đã: • Xác định 57 kiểu hình không độc/độc khác (ông gọi chủng). Kết gợi ý giống thị kiểu hình độc không độc khác chủng chủng 22. • Kiểu hình không độc trội so với kiểu hình độc giống thị, tỷ lệ phân ly không độc/độc = 3/1. Năm 1946, Flor lai chủng nấm số 22 với chủng số 24. Khi thử tính gây bệnh 133 cháu F2 14 giống thị ông thu kết sau: • Xác định 68 kiểu hình không độc/độc khác (chủng). • Xuất phân lý tính trạng không độc/độc 14 giống. Tỷ lệ phân ly khác tùy thuộc số gen kháng thị: 3/1 giống mang gen kháng; 15/1 giống mang gen kháng, 63/1 giống mang gen kháng. Năm 1955, Flor sử dụng lại 67 lai F2 chủng số chủng số 22 để thử tính gây bệnh 32 giống thị, phần lớn chúng có gen kháng (theo xác định Flor). Ông thu kết tương tự: • Xuất phân ly tính trạng không độc/độc 24 giống thị. Tỷ lệ phân ly 23 giống 3/1. • Đa số cặp không độc/độc khác chúng phân ly độc lập với nhau. Các kết đưa Flor tới kết luận (1) khả gây bệnh nấm M. lini lanh tương tác gen kháng/nhiễm ký chủ gen không độc/độc nấm gây bệnh; (2) Mối tương tác đặc hiệu nghĩa gen qui đinh tính không độc/độc nấm tương tác với gen qui định tính kháng/nhiễm ký chủ; (3) gen qui định tính kháng tính không độc nấm gen trội. KHÁI NIỆM GEN-ĐỐI-GEN 1.4. Khái niệm Năm 1971, Flor viết: gen qui định tính kháng ký chủ có gen tương ứng qui định tính gây bệnh ký sinh. Khẳng định Flor sử dụng rộng rãi xem định nghĩa thức Flor thuyết gen-for-gen. Vì mối quan hệ gen-đối-gen thường quan hệ trội – trội “gen qui định tính gây bệnh” thường hiểu gen lặn nên định nghĩa Flor dễ gây nhầm lẫn. Do vây, khái niệm gen-đối-gen Flor biến đổi chút cho phù hợp với lý thuyết ông sau: “đối với gen qui định tính kháng ký chủ có gen tương ứng qui định tính không độc ký sinh gen tương tác đặc hiệu với nhau”. Lý thuyết gen đối gen chấp nhận áp dụng cho nấm vi khuẩn gây bệnh , với số virus, tuyến trùng, chí côn trùng . Nó phức tạp , nhiều tác nhân gây bệnh có nhiều gen ảnh hưởng đến tính độc hại - khả gây bệnh. Ngoài ra, có xu hướng có nhiều loại gen kháng khác nhau. Có nhiều chủng khác số tác nhân gây bệnh. Các gen ký chủ qui định tính kháng (chú ý không thiết phải tuân theo quan hệ gen-for-gen) gọi chung gen R (Resistance). Các gen ký sinh qui định tính không độc ký sinh gọi chung gen Avr (Avirulence). Các ký hiệu R Avr viết thường r avr trạng thái gen lăn. Mỗi chủng có khả công kết hợp khác giống trồng, tùy thuộc vào hỗn hợp gen kháng mà người ta sử dụng kí hiệu riêng. 1.5. Đặc điểm quan hệ gen-đối-gen Cả gen kháng ký chủ gen không độc ký sinh phải biểu để tạo tính kháng. Mỗi gen ký chủ thường nhận biết tương tác với gen tương ứng ký sinh (và ngược lại). Điều dẫn tới ký chủ có nhiều gen kháng/nhiễm ký sinh có nhiều gen không độc/độc tính kháng hình thành có tương tác cặp gen tương ứng. Số lượng chủng (race) tối đa quần thể tác nhân gây bệnh =2n n số gen kháng R quần thể ký chủ. Xác định kiểu hình kháng hay nhiễm hoàn toàn dễ dàng sử dụng bảng punnett. Khi xây dựng bảng punnett cần ý kiểu gen ký chủ lưỡng bội kiểu gen ký sinh đơn bội lưỡng bội tùy thuộc loại tác nhân gây bệnh. Ví dụ ký sinh có kiểu gen đơn bội vi khuẩn, nhiều loại nấm túi (như nấm đạo ôn lúa Pyricularia oryzae); ký sinh có kiểu gen lưỡng bội tuyến trùng, loài nấm đảm (như nấm gỉ sắt, than đen .). Tính kháng trồng tuân theo quan hệ gen-đối-gen gọi tính kháng gen-đối-gen. Tính kháng gen-đối-gen thường tính kháng đặc hiệu ký chủ, tính kháng đơn gen, tính kháng gen chủ, tính kháng không bền vững. Hậu phản ứng kháng gen-đối-gen thường phản ứng siêu nhạy/apoptosis. ĐẶC ĐIỂM CỦA GEN KHÔNG ĐỘC (GEN AVR) Tác nhân gây bệnh với gen avirulence gây bệnh chủ chúng mang loại gen kháng , có gen avirulence phù hợp với gen kháng cụ thể tạo có khả chống chịu. Những gen avirulence sản xuất sản phẩm phát cây, chủ yếu Arv protein tương tác với hệ thống miễn dịch thực vật. Nâng cao khả tương tác phân tử tác nhân gây bệnh chủ nên kết kiểm soát dịch bệnh lớn tác nhân gây bệnh . Một số thuật ngữ liên quan sử dụng: Effector (chất hiệu ứng): phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh tác động lên tế bào ký chủ, nhờ tạo điều kiện cho nhiễm bệnh. Một effector gọi elicitor bị nhận biết khởi động phản ứng phòng thủ. Elicitor (chất kích hoạt): phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh khởi động phản ứng phòng thủ dẫn tới tăng cường tính kháng nhận biết. Khi nhận biết thực nhờ protein R elicitor xem Avr protein. Định nghĩa Gen Avr gen làm cho tác nhân gây bệnh trở thành không độc có mặt gen kháng R ký chủ. Khả gen Avr có sản phẩm protein cảnh báo tế bào ký chủ sư công tác nhân gây bệnh khởi động phản ứng phòng thủ dẫn tới phản ứng siêu nhạy/apoptosis. Như xem protein Avr elicitor nhận biết thông qua gen kháng R Không giống gen kháng R, nhìn chung, protein Avr chia sẻ đặc điểm chung với nhau. Dưới số đại diện Avr gen/protein Họ gen AvrBs3 vi khuẩn Xanthomonas. Cho tới nay, khoảng 40 Avr gen họ xác định từ nhiều loài Xanthomonas kể gen Brg11 vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Các ví dụ Avr gen thuộc họ bao gồm: X. campestris pv. Vesicatoria X. oryzae pv. Oryzae AvrBs3, AvrBs4 AvrXa5, AvrXa3, AvrXa7, AvrXa10,AvrXa27 Các gen thuộc họ mã hóa cho protein chứa khoảng 13 - 23 chuỗi lặp gồm 34 aa vùng trung tâm. Đầu C protein chứa dấu hiệu nhập nhân (Nuclear Localization Signal – NLS) vùng hoạt hóa phiên mã (Activated Domain – AD). Cấu trúc chứng tỏ (đã chứng minh thực nghiệm) protein hoạt động nhân tương tác với trình phiên mã tế bào ký chủ. Gen AvrPto vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato (gây bệnh đốm đen vi khuẩn cà chua). Gen mã hóa protein AvrPto có trọng lượng phân tử thấp khoảng 18 kD hệ thống tiết loại vi khuẩn đưa tế bào chất. Các gen Avr nấm. Có nhiều gen Avr nấm phân lập. Một số protein Avr protein giàu cystein AvrCf2 nấm Cladosporium fulvum; AvrP4; AvrP123 nấm M. lini. Một số protein Avr nấm tiết gian bào (apoplasm) tương tác với protein R ký chủ bề mặt tế bào; vi dụ protein AvrCf2, vrCf4, AvrCf9 nấm C. fulvum. Một số lại nấm tiết trực tiếp vào tế bào chất qua vòi hút chẳng hạn protein kháng nấm sương mai, phấn trắng, gỉ sắt. Các gen Avr virus. Đối với virus thực vật, gen Avr thường liên quan đến protein chức virus. Ví dụ điển hình protein tái sinh (Replication protein) Tobacco mosaic virus –TMV gen không độc tương ứng với gen kháng N thuốc lá. Ngoài ra, protein vỏ (Coat Protein – CP) virus gen Avr phổ biến virus. Một câu hỏi cần đặt Avr gen/protein tác nhân gây bệnh làm giảm khả công (mất ưu thích nghi) tác nhân gây bệnh lại tồn quần thể tác nhân gây bệnh. Câu trả lời gen tương tác (trực tiếp gián tiếp) với gen kháng trường hợp gen kháng, gen Avr có số chức có lợi cho tác nhân gây bệnh. Ví dụ cà chua thiếu gen kháng Pto gen AvrPto tạo điều kiện cho gây bệnh vi khuẩn cách ức chế phòng thủ vách tế bào (thí nghiệm Arabidopsis). Các nghiên cứu nấm Phytophthora infestans, Puccinia graminis cho thấy, sau áp lực chọn lọc gen kháng R ký chủ bị gen Avr tái xuất hiện. 10 GEN KHÁNG R VÀ PROTEIN R Cây có nhiều tác nhân gây bệnh tác động lên để tồn phần lớn kháng lại tác nhân gây bệnh biểu tính kháng với mức độ khác nhau. Các gen kháng R qui định tính kháng thông qua quan hệ gen-đối-gen không. Sản phẩm gen gọi protein kháng R Các protein kháng R chia thành lớp dựa đặc điểm cấu trúc vị trí hoạt động chúng tế bào ký chủ. Các protein lớp nhìn chung bảo thủ. 1.6. Pto Lớp protein thứ gồm thành viên Pto phân lập từ cà chua. Pto có vùng có hoạt tính xúc tác kinase. Pto gen kháng hoạt động tế bào chất. Pto protein kháng chống vi khuẩn P. syringae pv. tomato mang gen AvrPto. Pto có hoạt tính kinase điều khiển dẫn truyền tín hiệu tế bào chất dẫn tới phản ứng siêu nhạy. 1.7. CNL (CC-NB-LRR) Lớp protein kháng thứ hai gồm số lượng lớn protein có cấu trúc gồm (1) vùng khóa kéo leucine (leucine-zipper – LZ) chuỗi xoắn kép (coiled-coil – CC) đầu amin; (2) vùng có khả liên kết nucleotide (nucleotide binding – NB) vùng trung tâm; (3) vùng lặp giàu leucine (leucine-rich repeats - LRR) phía đầu carboxyl. Các protein lớp hoạt động tế bào chất. Các ví dụ protein lớp CNL trình bày Bảng 2. 1.8. TNL (TIR-NB-LRR) Lớp protein kháng thứ ba lớp có số lượng lớn có mầm. Về cấu trúc, lớp protein TNL tương tự lớp CNL thay chuỗi CC 11 chuỗi TIR. Chuỗi TIR vùng protein tương đồng với receptor Toll (của ruồi dấm) receptor Interleukin-1 (của người) (TIR = Toll/Interleukin-1 Receptor). Tương tự protein kháng lớp CNL, protein lớp TNL hoạt động tế bào chất. Các ví dụ protein lớp TNL trình bày Bảng 2. Cả lớp CNL TNL xếp vào chung họ protein kháng gọi họ NB-LRR. Số lượng gen kháng họ đươc xem chiếm số lượng lớn họ protein (Ví dụ lúa có 400 gen; Arabidopsis có 150 gen). Đối với lớp, đầu amin (chứa vùng CC TIR) chịu trách nhiệm tương tác với phân tử bảo vệ - guardee với phân tử phía hạ lưu đường hướng dẫn truyền tính kháng. Phần trung tâm vùng NBS có khả liên kết thủy phân ATP chịu trách nhiệm khởi động đường hướng dẫn truyền tín hiệu. Ở đầu carboxyl, chuỗi LRR chịu trách nhiệm qui định tính đặc hiệu elicitor phần lớn gián tiếp. 1.9. Cf Lớp protein kháng thứ tư số protein Cf phân lập từ cà chua Cf2, Cf4, Cf5, Cf9 qui định tính kháng với nấm Cladosporium fulvum mang gen Avr tương ứng AvrCf2, AvrCf4, AvrCf5, AvrCf9. Các protein thiếu vùng NB; hoạt tính kinase. Các prtein nhóm protein xuyên màng với vùng LRR nằm bên (trên bề mặt tế bào). 1.10. Xa21 Lớp protein kháng thứ có protein Xa21 phân lập từ lúa. Protein Xa21 protein xuyên màng, có vùng LRR nằm bên (trên bề mặt tế bào) vùng kinase nằm bên tế bào chất. Một số protein R không thuộc lớp gồm: • Hml enzyme khử độc kháng nấm Cochlibolus ngô. 12 • Mlo protein màng tế bào lúa miến (barley) mà đột biến lặn qui định tính kháng nấm phấn trắng có lẽ điều khiển âm phản ứng phòng thủ. • RPW8 protein phân lập từ Arabidopsis qui định tính kháng nấm phấn trắng theo kiểu không đặc hiệu chủng. PRW8 protein xuyên màng. TƯƠNG TÁC GIỮA PROTEIN R VÀ AVR 1.11. Tương tác trực tiếp mô hình Elicitor – Receptor Quan hệ gen-đối-gen lúc đầu giả thiết dựa tương tác trực tiếp protein R Avr protein. Sự tương tác gọi mô hình Elicitor – Receptor, elicitor protein Avr đóng vai trò chất kích hoạt receptor protein kháng đóng vai trò chất tiếp nhận. Phản ứng kháng hình thành có tương tác trực tiếp elicitor receptor. Hiện nay, tương tác trực tiếp thành phần chứng minh số trường hợp, tất liên quan đến protein kháng lớp TIR/CCNBS-LRR. Dưới trường hợp có tương tác trực tiếp. • Tương tác protein AvrPi-ta (của nấm Pyricularia oryzae) protein Pi-ta (lúa). • Tương tác AvrL567 (của nấm M. lini) protein L5, L6, L7 (họ protein kháng thuộc locus L lanh) • Tương tác AvrPopP2 (của vi khuẩn R. solanacearum) protein RRS1 (của Arabidopsis). Mô hình tương tác trực tiếp giải thích với số gen kháng, trồng nhận biết số lượng lớn effector tác nhân gây bệnh 13 1.12. Tương tác gián tiếp mô hình bảo vệ (Guard model) Theo mô hình bảo vệ (tương tác gen kháng R Avr ) này, protein kháng R ký chủ liên kết “bảo vệ” protein A. Protein bảo vệ (guardee) tương tác với protein Avr tác nhân gây bệnh hoạt hóa protein R dẫn tới kích hoạt phản ứng dẫn tới tính kháng. Thực protein kháng R không phát protein Avr mà phát hoạt động có nghĩa protein Avr có mặt tế bào mà không hoạt động tức không tương tác, thường thông qua hoạt tính enzyme phân tử bảo vệ, protein kháng R không phát hiện. Mô hình bảo vệ giải thích với số gen kháng, trồng nhận biết số lượng lớn effector tác nhân gây bệnh. Mô hình chứng minh thực nghiệm nhiều trường hợp. Dưới số ví dụ: 1. AvrPphB vi khuẩn P. syringae protein kháng RPS5 Arabidopsis. AvrPphB protease nhóm cystein. Sau vi khuẩn đưa vào tế bào cây, AvrPphB cắt phân tử protein kinase ký chủ PBS1. Protein kháng RPS5 nhận biết việc cắt khởi động phản ứng kháng. https://www.cell.com/chemistry-biology/abstract/S1074-5521(12)00455-3? script=true 2. AvrRpm1 (hoặc AvrB) vi khuẩn P. syringae protein kháng RPM1 Arabidopsis. Khi đưa vào tế bào, AvrRpm1 (hoặc 14 AvrB) phosphoryl hóa protein ký chủ RIN4. Protein kháng RPM1 giám sát trạng RIN4 nhận biết phosphoryl hóa RIN4 khởi động phản ứng phòng thủ. http://www.nature.com/nri/journal/v12/n2/fig_tab/nri3141_F1.html ĐỒNG TIẾN HÓA GIỮA GEN AVR VÀ R 1.13. Sự đa dang quần thể tác nhân gây bệnh Trong môi trường tự nhiên oài tác nhân gây bệnh đa dạng mặt di truyền. a)Nấm - Sinh sản hữu tính Nấm vi sinh vật giống nấm gây bệnh phân loại thành ngành (Division) khác sở sinh sản hữu tính, trình sinh sản hữu tính, nấm trao đổi vật liệu di truyền thông qua tái tổ hợp dẫn tới kiểu hình (kể tính trạng kháng bệnh) cháu khác với bố mẹ. http://voer.edu.vn/c/giao-trinh-mon-nam-hoc/ff44b76e/ 15 Sinh sản hữu tính xảy có kết hợp hai giao tử đực (gametes) có trải qua giai đoạn giảm phân. Quá trình sinh sản hữu tính trải qua giai đoạn: • Tiếp hợp tế bào chất (plasmogamy) với hòa hợp tế bào trần (protoplast) giao tử • Tiếp hợp nhân (karyogamy) với hòa hợp nhân tế bào giao tử để tạo nhân nhị bội (diploid) • Giảm phân (meiosis) giai đoạn hình thành bào tử đơn bội (haploid) qua giảm phân từ 2n NST (nhị bội) thành n NST (đơn bội). Theo Machlis (1966) tất giai đoạn kể giai đoạn tạo quan sinh dục điều khiển số kích thích tố sinh dục (sexual hormones). Cơ quan sinh dục nấm mốc có tên túi giao tử (gametangia) có loại: quan sinh dục đực gọi túi đực (antheridium) chứa giao tử đực (antherozoids), quan sinh dục gọi túi noãn(oogonium) chứa giao tử hay noãn, có kết hợpgiữagiao tử đực noãnsẽ tạo thành bào tử, bào tử di động gọi bào tửđộng(zoospores). Sự giao phối chéo (intersterility) khác loài xảy nấm đảm xảy loài đồng di truyền. Sinh sản cận tính (parasexuality), thường định nghĩa thức hình thức sinh sản hữu tính loài, xảy loài có quan hệ gần gũi chứng minh số loài nấm trứng Phytophthora. Chú ý sinh sản cận tính khác loài, có trao đổi tái tổ hợp vật liệu di truyền phân bào giảm nhiễm (meiosis). Nhiều loài nấm Phytophthora thường phát thấy gây bệnh việc giao phối cận tính xảy ra, lai thường bất dục. vi dụ khoảng 4-5% lai P. palmivora P. cinnamomi có khả sinh bào tử trứng. Sư trao đổi vật liệu di truyền thông qua sinh sản có nghĩa từ hệ bố mẹ sang hệ cháu gọi chuyển gen theo chiều dọc (vertical gene transfer). 16 Nấm – chuyển gen theo chiều ngang Cho tới nay, nhiều chứng cho thấy nấm có khả chuyển vật liệu di truyền không thông qua sinh sản cá thể loài khác loài. Sự di chuyển vật liệu di truyền theo kiểu gọi chuyển gen theo chiều ngang (horizontal gene transfer). Sự chuyển gen theo chiều ngang thực thông qua plasmid (vd plasmid nấm Neurospora; ý plasmid nấm thường dạng sợi thẳng, kích thước khoảng 2-10 kb); virus (ví dụ virus nấm Rhizoctonia solani) . Nấm – Đột biến Đối với nấm, ngoại trừ nấm đảm, giai đoạn vô tính sinh sản vô tính chiếm ưu chu kỳ phát triển. Nhiều loài chí giai đoạn hữu tính không xảy tự nhiên (ví dụ nấm đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae). Như đột biến chế quan trọng dẫn tới đa dạng nấm. b) Vi khuẩn – sinh sản hữu tính Đối với vi khuẩn, có loại sinh sản giống sinh sản hữu tính tồn quần thể: Biến nạp (transformation) : hình thức chuyển gen vi khuẩn nhận hấp thụ qua vách tế bào vật liệu di truyền giải phóng vi khuẩn cho. Sau biến nạp, vật liệu di truyền tế bào chi tổng hợp vào gen tế bào vi khuẩn nhận. 17 http://voer.edu.vn/c/bien-nap-transformation/7da56961/56092656 Giao nạp (conjugation): hình thức chuyển gen tế bào vi khuẩn khác “giới tính” ký hiệu F+ F-. Khi tế bào vi khuẩn tiếp xuc với hình thành cầu nối (pilus) plasmid (hoặc mảnh genome) tế bào F+ chuyển sang tế bào F- qua pilus. http://voer.edu.vn/c/giao-nap-conjugation/7da56961/c78152aa Tải nap (transduction): hình thức chuyển gen từ tế bào cho sang tế bào nhận thông qua vector thực khuẩn thể (Bacteriophage). http://voer.edu.vn/c/tai-nap-transduction/7da56961/57a8f2be 18 Vi khuẩn – đột biến Vi khuẩn sinh sản vô tính chủ yếu nên đột biến chế quan trọng dẫn tới đa dạng di truyền vi khuẩn. c) Virus – tái tổ hợp Một chế quan trọng dẫn tới đa dạng di truyền virus tái tổ hợp (recombination). Hiện tượng tái tổ hợp phổ biến virus thực vật. Do virus tái sinh tế bào chất nhân tế bào ký chủ nên tái sinh virus phụ thuộc hoàn toàn vào máy phiên mã tái sinh tế bào ký chủ. Nếu tế bào bị nhiễm nhiều loại virus phân tử virus (khác loài chủng) trao đổi chéo với thông qua tái sinh chẳng hạn enzyme polymerase ký chủ chuyển từ khuôn phân tử virus sang virus khác dần tới tạo phân tử lai hình thành từ khuôn khác nhau. Virus – đột biến Đột biến chế quan trọng dẫn tới đa dạng virus thực vật. Do tốc độ sinh sản nhanh, quần thể phân tử virus thường tồn nhiều đột biến. 1.14. Các lực điều khiển tiến hóa tác nhân gây bệnh Rào cản địa lý. Rào cản địa lý yếu tố quan trọng điều khiển tiến hóa tác nhân gây bệnh. Nhiều loài/chủng tác nhân gây bệnh có mặt vùng mà mặt vùng khác. Ngoài ra, đặc điểm ngoại cảnh ký chủ khác biệt vùng địa lý đóng góp vào yếu tố điều khiển này. Hậu rào cản địa lý hình thành nên loài/chủng đặc trưng cho vùng địa lý. Ví dụ quần thể vi khuẩn bạc Trung quốc khác Việt Nam dẫn tới nhiều giống lúa lai Trung Quốc, vốn kháng tốt bệnh bạc Trung Quốc, kháng quần thể vi khuẩn bạc Việt Nam. Cây ký chủ. Đây yếu tố điều khiển tiến hóa quần thể tác nhân gây bệnh vùng địa lý xác định. Cây ký chủ tính kháng tác động đến tiến hóa tác nhân gây bệnh mức loài 19 loài. Ví dụ,đã có chứng cho thấy loài nấm P. mirabilis, P. ipomoeae, P. infestans tiến hóa từ tổ tiên chung nhiễm họ thực vật hoàn toàn khác nhau. Ở mức loài, hậu tương tác tác nhân gây bệnh với loài/giống ký chủ khác dẫn tới hình thành khái niệm chủng sinh lý (race), dạng chuyên hóa (forma specialis, số ít), biovar, pathovar .của tác nhân gây bệnh (chú ý, khái niệm phân loại không thức loài khác tùy theo đối tượng nghiên cứu). Ví dụ loài nấm Fusarium oxysporum, hàng chục dạng chuyên hóa (formae speciales, số nhiều) phân biệt sở tính gây bệnh héo với loài ký chủ khác nhau, Trong dạng chuyên hóa, tác nhân gây bệnh phân nhóm lại thành race sở tính gây bệnh giống khác nhau; ví dụ F. oxysporum f.sp. cubense gây bệnh chuối gồm race (1,2,3,4). Tương tự, loài vi khuẩn R. solanacearum gồm race phân biệt dựa tính gây bệnh ký chủ khác nhau. 1.15. Đồng tiến hóa gen Avr gen kháng R a) Đồng tiến hóa sản xuất nông nghiệp Trong sản xuất nông nghiệp, người ta thường tạo giống đồng di truyền, mang tính kháng đặc hiệu chủng. Tuy nhiên, sau vài năm, tính kháng bị bẻ gẫy. Để trì suất, người ta lại thay giống khác mang gen kháng sau vài năm, tính kháng lại bị mất. Hiện tượng tính kháng bị quần thể tác nhân gây bệnh xuất đột biến tự phát khắc phục tính kháng. Việc đưa liên tục giống kháng gây đồng tiến hóa nhân tạo giống kháng đặc hiệu chủng tác nhân gây bệnh độc đặc hiệu hình thành tự phát. Các lực điều khiển đồng tiến hóa (i) tốc độ sinh sản đột biến cao tác nhân gây bệnh (ii) việc đưa liên tục giống kháng vào sản xuất. Quá trình đồng tiến hóa trồng tác nhân gây bệnh gồm nhiều bước: 20 Giả sử giống A có kiểu gen r1/r2/rn hoàn toàn bị nhiễm bệnh tác nhân gây bệnh B có kiểu gen Avr1/Avr2/Avrn. Bước đưa gen kháng R1 vào giống A để có giống kháng R1 có kiểu gen R1/r2/rn. Sự nhận biết đặc hiệu sản phẩm gen R1 (ký chủ) Avr1 (ký sinh) tạo kháng bệnh. Bước thứ chọn lọc cá thể ký sinh mang đột biến tự phát avr1/Avr2/Avrn. Do cá thể mang đột biến tự phát yếu tố không độc qui định gen Avr1 nên không bị yếu tố kháng qui định gen R1 nhận biết dẫn tới có khả gây bệnh giống kháng tạo bước 1. Bước thứ 3, tương tự bước thứ nhất, tạo giống kháng mang gen kháng R2 (có kiểu gen R1/R2/rn. Giống kháng kháng lại chủng tác nhân gây bệnh có kiểu gen avr1/Avr2/Avrn có nhận biết sản phẩm gen R2 (ký chủ) Avr2 (ký sinh). Bước thứ 4, tương tự bước thứ 2, chọn lọc đột biến tự phát cá thể có kiểu gen avr1/avr2/Avrn hình thành quần thể tá nhân gây bệnh. Như đồng tiến hóa giống kháng tác nhân gây bệnh độc sản xuất nông nghiệp đua điểm dừng việc đưa giống kháng hình thành – chọn lọc cá thể độc quần thể tác nhân gây bệnh. Một số điểm ý: Sự hình thành đột biến độc quần thể tác nhân gây bệnh không độc bước vốn, lý thuyết, nhân lên quần thể kháng khả năng: (i) đột biến mang từ nơi khác tới (ii) đột biến hình thành chỗ quần thể tác nhân gây bệnh không độc gây bệnh mức độ yếu. Thời gian tồn giống kháng kéo dài đưa nhiều gen kháng vào giống kháng. Giống mang nhiều gen kháng hội cho tác nhân gây bệnh không độc có đột biến đồng thời khắc phục tất gen kháng thấp. Tuy nhiên việc tạo giống vừa mang nhiều gen kháng chủ vừa trì tính trạng nông học tốt không dễ dàng. 21 b) Đồng tiến hóa hệ sinh thái tự nhiên Trong hệ sinh thái tự nhiên, tác nhân gây bệnh gây thiệt hại nhiều so với hệ sinh thái trồng trọt. Các gen kháng đặc hiêu hình thành tự phát quần thể bền vững chủ yếu bị ảnh hưởng mức độ đa hình cân đột biến độc/không đôc quần thể tác nhân gây bệnh. Các yếu tố thường dẫn tới trạng thái cân tính kháng ký chủ và tính gây bệnh ký sinh. Trạng thái cân đảm bảo tồn tác nhân gây bệnh. Trạng thái cân ký sinh – ký chủ hệ sinh thái tự nhiên có quần thể tác nhân gây bệnh kiểu gen đồng môt diện tích lớn. Trên diện tích lớn, chúng thường tồn dạng gọi siêu quần thể (metapopulation). Một siêu quần thể gồm nhiều quần thể phụ có đặc trưng kháng /độc khác nhau. Do cân tính kháng (ký chủ)/tính độc (ký sinh) quần thể phụ bị phá vỡ cân dễ dàng thiết lập di chuyển tác nhân gây bệnh chuyển gen ký chủ thông qua giao phấn phát tán hạt từ quần thể phụ lân cận. KẾT LUẬN. Nghiên cứu tiến sĩ Flor lanh bị bệnh gỉ sắt cho thấy sức đề kháng lanh chiếm ưu tính nhạy cảm xảy nhiều alen. Sau thử nhiều chủng nấm Melampsora Lini gỉ sắt lanh, tìm thấy chủng độc với giống kháng cùng. Ông cho giống kháng ký chủ có gen tương ứng điều khiển khả bị bệnh cây. Giải thích tiến sĩ Flor tương tác di truyền vật chủ-ký sinh chứng minh mô hình quan trọng bệnh hữu dụng sản xuất giống kháng bệnh từ cho phép ông suy giả thuyết gen đối gen. Nó sư dụng rộng rãi để giải thích mối quan hệ di truyền 22 lanh bị bệnh gỉ sắt bệnh khác, mối quan hệ cộng sinh đa dạng thực vật côn trùng. Như vậy, dựa vào thuyết gen đối gen nghiên cứu liên quan đen lại bước mở đầu cho công nghệ nghiên cứu chọn tạo giống kháng có khả chống lại tác nhân gây bệnh hiệu nhất. Làm cho ngành công nghệ sinh học nghiên cứu chuyên sâu vào gen trồng. Tài liệu tham khảo 1. PGS. TS. Đỗ Tấn Dũng (chủ biên), 2011, Giáo trình miễn dịch thực vật, NXB Đại học Nông Nghiệp, Hà Nội. 23 2. http://www1.agric.gov.ab.ca/$department/deptdocs.nsf/all/prm7704 3. https://suite101.com/a/the-gene-for-gene-concept-a-central-tenet-inplant-pathology-a248282 4. http://www.ag.ndsu.edu/plantpath/history 24 [...]... có tương tác trực tiếp • Tương tác giữa protein AvrPi-ta (của nấm Pyricularia oryzae) và protein Pi-ta (lúa) • Tương tác giữa AvrL567 (của nấm M lini) và các protein L5, L6, L7 (họ các protein kháng thuộc locus L của cây lanh) • Tương tác giữa AvrPopP2 (của vi khuẩn R solanacearum) và protein RRS1 (của Arabidopsis) Mô hình tương tác trực tiếp không thể giải thích được tại sao chỉ với một số gen kháng,... với mỗi giống kháng trong ký chủ đều có một gen tương ứng điều khiển khả năng bị bệnh của cây Giải thích của tiến sĩ Flor giữa sự tương tác di truyền vật chủ-ký sinh đã được chứng minh là một mô hình quan trọng trong bệnh cây và sự hữu dụng trong sự sản xuất ra các giống kháng bệnh từ đó cho phép ông suy ra giả thuyết gen đối gen Nó đã được sư dụng rộng rãi để giải thích mối quan hệ di truyền trong cây... effector của tác nhân gây bệnh 13 1.12 Tương tác gián tiếp mô hình bảo vệ (Guard model) Theo mô hình bảo vệ (tương tác giữa gen kháng R và Avr ) này, protein kháng R của ký chủ sẽ liên kết và “bảo vệ” một protein A Protein được bảo vệ (guardee) này sẽ tương tác với protein Avr của tác nhân gây bệnh và hoạt hóa protein R dẫn tới kích hoạt các phản ứng dẫn tới tính kháng Thực sự protein kháng R của cây... sản và đột biến cao của tác nhân gây bệnh và (ii) việc đưa liên tục các giống kháng mới vào sản xuất Quá trình đồng tiến hóa giữa cây trồng và tác nhân gây bệnh gồm nhiều bước: 20 Giả sử đầu tiên là giống A có kiểu gen r1/r2/rn hoàn toàn bị nhiễm bệnh đối với tác nhân gây bệnh B có kiểu gen Avr1/Avr2/Avrn Bước đầu tiên là đưa 1 gen kháng R1 vào giống A để có giống kháng R1 có kiểu gen R1/r2/rn Sự nhận.. .GEN KHÁNG R VÀ PROTEIN R Cây có thể có rất nhiều tác nhân gây bệnh tác động lên nhưng để tồn tại được thì cây phần lớn có thể kháng lại được tác nhân gây bệnh và biểu hiện tính kháng với mức độ khác nhau Các gen kháng R này có thể qui định tính kháng thông qua quan hệ gen- đối -gen hoặc không Sản phẩm của các gen này gọi là các protein kháng R Các protein... côn trùng Như vậy, dựa vào thuyết gen đối gen cùng những nghiên cứu liên quan đen lại bước mở đầu cho công nghệ nghiên cứu chọn tạo giống kháng có khả năng chống lại tác nhân gây bệnh hiệu quả nhất Làm nền cho ngành công nghệ sinh học nghiên cứu chuyên sâu vào gen của cây trồng Tài liệu tham khảo 1 PGS TS Đỗ Tấn Dũng (chủ biên), 2011, Giáo trình miễn dịch thực vật, NXB Đại học Nông Nghiệp, Hà Nội 23... mới mang gen kháng R2 (có kiểu gen R1/R2/rn Giống kháng này có thể kháng lại chủng tác nhân gây bệnh có kiểu gen avr1/Avr2/Avrn do có sự nhận biết giữa sản phẩm của gen R2 (ký chủ) và Avr2 (ký sinh) Bước thứ 4, tương tự bước thứ 2, là sự chọn lọc các đột biến tự phát các cá thể có kiểu gen avr1/avr2/Avrn hình thành trong quần thể tá nhân gây bệnh Như vậy sự đồng tiến hóa giữa giống kháng và tác nhân... protein Avr mà phát hiện hoạt động của nó có nghĩa nếu protein Avr khi có mặt trong tế bào mà không hoạt động tức không tương tác, thường thông qua hoạt tính enzyme của nó đối với phân tử được bảo vệ, thì protein kháng R sẽ không phát hiện Mô hình bảo vệ giải thích được tại sao chỉ với một số gen kháng, cây trồng có thể nhận biết được một số lượng lớn các effector của tác nhân gây bệnh Mô hình này đã... biến lặn của nó qui định tính kháng nấm phấn trắng và có lẽ điều khiển âm các phản ứng phòng thủ • RPW8 là protein phân lập từ cây Arabidopsis qui định tính kháng nấm phấn trắng theo kiểu không đặc hiệu chủng PRW8 cũng là một protein xuyên màng TƯƠNG TÁC GIỮA PROTEIN R VÀ AVR 1.11 Tương tác trực tiếp mô hình Elicitor – Receptor Quan hệ gen- đối -gen lúc đầu đã được giả thiết là dựa trên tương tác trực... protein của lớp TNL cũng hoạt động trong tế bào chất Các ví dụ về protein lớp TNL trình bày ở Bảng 2 Cả 2 lớp CNL và TNL còn được xếp vào chung một họ protein kháng gọi là họ NB-LRR Số lượng gen kháng của họ này đươc xem là chiếm số lượng lớn nhất trong các họ protein (Ví dụ trên lúa có hơn 400 gen; Arabidopsis có 150 gen) Đối với cả 2 lớp, đầu amin (chứa vùng CC hoặc TIR) chịu trách nhiệm tương tác với . thức của Flor về thuyết gen- for -gen. Vì mối quan hệ gen- đối -gen thường là quan hệ trội – trội trong khi đó gen qui định tính gây bệnh” thường được hiểu là gen lặn nên định nghĩa trên của Flor. kiểu gen lưỡng bội là tuyến trùng, các loài nấm đảm (như nấm gỉ sắt, than đen ). Tính kháng của cây trồng tuân theo quan hệ gen- đối -gen được gọi là tính kháng gen- đối -gen. Tính kháng gen- đối -gen. của các giống cây trồng, tùy thuộc vào hỗn hợp của các gen kháng trong cây mà người ta sử dụng các kí hiệu riêng. 1.5. Đặc điểm quan hệ gen- đối -gen Cả gen kháng của ký chủ và gen không độc của