Đang tải... (xem toàn văn)
Miễn dịch thực vật. Mỗi loại cây trồng đều chịu sự tấn công của nhiều tác nhân gây hại khác nhau. Dưới tác động của các tác nhân gây hại hình thành tính kháng lại tác nhân gây hại đó => tính kháng của cây trồng trước những điều kiện bất lợi....
PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề. Mỗi loài cây trung bình bị tấn công bởi khoảng 100 loại tác nhân gây bệnh khác nhau. Thông thường, mỗi một cá thể cây bị tấn công bởi hàng trăm đến hàng trăm ngàn cá thể của một loại tác nhân gây bệnh. Mặc dù phải chịu một thiệt hại nào đó thì phần lớn các cây vẫn tồn tại và thường là vẫn sinh trưởng, phát triển tốt. Nhìn chung, cây chống lại tác nhân gây bệnh nhờ kết hợp các vũ khí từ 2 kho vũ khí là: (1) các đặc điểm cấu trúc – có vai trò là các rào cản vật lý ngăn cản tác nhân gây bệnh xâm nhập vào và phát triển trong cây; và (2) các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào và mô cây, hình thành các chất hoặc là độc đối với tác nhân gây bệnh hoặc tạo điều kiện ức chế sự sinh trưởng của tác nhân gây bệnh. Sự kết hợp 2 kho vũ khí này khác nhau tùy tổ hợp ký sinh – ký chủ. Ngoài ra, thậm chí cùng tổ hợp ký sinh – ký chủ, thì sự kết hợp này cũng khác nhau tùy tuổi cây, loại cơ quan hoặc mô bị tấn công, điều kiện dinh dưỡng của cây và điều kiện thời tiết. Các vũ khí cấu trúc và hóa học có thể có sẵn từ trước (phòng thủ thụ động, thường không đặc hiệu) hoặc hình thành do tác động của tác nhân gây bệnh (phòng thủ chủ động, thường đặc hiệu), và đương nhiên được qui định bởi bộ gen cây ký chủ. Để tìm hiểu về sự kết hợp của hai kho vũ khí chống lại tác nhân gây bệnh của cây trồng tôi tìm hiểu: “Tính kháng sâu, bệnh và các biện pháp kích hoạt tính kháng của cây trồng”. 2 Mục đích, yêu cầu. Xác định tính kháng của cây trồng đối với sâu, bệnh hại và các biện pháp kích hoạt tính kháng của cây trồng trước sự xâm nhập và gây hại của sâu, bệnh. Tìm hiểu được cơ chế tính kháng sâu, bệnh ở cây trồng và nguyên tắc của các phương pháp kích hoạt tính kháng của cây trồng. 1 PHẦN 2: NỘI DUNG I. Tính kháng sâu, bệnh của cây trồng. Đến nay kiến thức của nhân loại đã tiến khá sâu vào lĩnh vực miễn dịch của thực vật đối với sâu, bệnh hại. Bên cạnh việc tiến rất sâu vào lĩnh vực phân tử của các gen kháng, các nhà khoa học đã đi sâu dần vào cơ chế của sự kháng sâu, bệnh để từ đó đưa các biện pháp kích hoạt tính kháng (gọi tắt là kích kháng) tự nhiên của cây trồng đối với sự xâm nhập và gây hại của sâu, bệnh. Sau khi tìm hiểu về cơ chế tính kháng của cây trồng người ta đã chia thành các nhóm: 1 Phòng thủ nhờ rào cản vật lý có sẵn. Nhìn chung, phòng tuyến đầu tiên là bề mặt cây ký chủ nơi tác nhân gây bệnh tiếp xúc và xâm nhập. Các đặc điểm cấu trúc bề mặt ảnh hưởng tới sự tiếp xúc và xâm nhập của tác nhân gây bệnh gồm số lượng và chất lượng lớp sáp và cutin; vách tế bào biểu bì; số lượng, kích thước, vị trí và hình dạng khí khổng và lỗ thở ở thân (lenticel) và sự có mặt của tế bào vách dày (tế bào cương mô). - Lớp sáp: Lớp sáp trên bề mặt lá, quả tạo ra bề mặt ghét nước, do đó ngăn sự hình thành màng nước cần cho bào tử nấm tiếp xúc và nảy mầm và vi khuẩn nhân lên. Mật độ lông lá dày cũng có ảnh hưởng tương tự và có thể làm giảm sự nhiễm bệnh. - Tầng cutin: Tầng cutin dày có thể ngăn cản sự xâm nhập của các tác nhân gây bệnh có kiểu xâm nhập trực tiếp. Tuy nhiên, độ dày tầng cutin không luôn luôn quan hệ thuận với tính kháng. - Lớp tế bào biểu bì: Độ dày và độ cứng của vách tế bào biểu bì dường như là yếu tố quan trọng đối với tính kháng của một số tổ hợp ký sinh – ký chủ. Vách dày và cứng của tế bào biểu bì có thể ngăn cản sự xâm nhập theo kiểu trực tiếp của tác nhân gây bệnh. Cây với đặc điểm này thường kháng bệnh mặc dù nếu tác nhân gây bệnh được đưa vào mô bên dưới nhờ tổn thương cơ học thì bệnh vẫn phát triển dễ dàng. - Đặc điểm khí khổng: Nhiều loại nấm và vi khuẩn chỉ xâm nhập qua khí khổng. Mặc dù phần lớn chúng có khả năng xâm nhập qua khí khổng đóng thì một số, chẳng hạn nấm gỉ sắt thân lúa mỳ, chỉ có thể xâm nhập qua khí khổng mở. Do vậy, một số giống lúa mỳ có khí khổng mở muộn trong ngày là kháng bệnh vì ống mầm của bào tử nấm (hình thành nhờ sương đêm) sẽ bị khô trước khi khí khổng mở. Khí khổng với cấu tạo lỗ mở hẹp cũng có thể ngăn cản sự xâm nhập của vi khuẩn. - Tế bào bên trong: Vách tế bào của mô đang bị xâm nhập thường thay đổi độ dày và độ cứng và đôi khi cũng ức chế sự phát triển của bệnh. Sự có mặt của nhiều tế bào cương mô ở thân nhiều cây ngũ cốc có thể hạn chế sự phát triển một số bệnh, chẳng hạn bệnh gỉ sắt hại thân. Ngoài ra, các tế bào xylem, bó bẹ (bundle sheath), cương mô của gân lá cũng giới hạn sự phát triển của một số bệnh đốm lá do nấm, vi khuẩn và tuyến trùng và tạo ra các vết bệnh góc cạnh. Tế bào mạch xylem dường như liên quan trực tiếp hơn đến mức độ kháng hay mẫn cảm của các loại bệnh hại mạch dẫn. Ví dụ, đường kính tế bào, tỷ lệ tế bào mạch xylem có kích thước lớn có mối tương quan thuận với độ mẫn cảm của cây du (elm) do nấm Ophiostoma novo-ulmi. 2 Phòng thủ nhờ các chất hóa học có sẵn Mặc dù rào cản vật lý có thể tạo ra một số mức độ phòng thủ nhưng nhìn chung khả năng tấn công của tác nhân gây bệnh phụ thuộc không nhiều vào rào cản này. Thực tế là nhiều tác nhân gây bệnh không thể xâm nhập dù không có trở ngại cấu trúc của ký chủ. Phòng thủ hóa học chắc 2 chắn đóng vai trò quan trọng hơn trong cơ chế phòng thủ bị động của cây. Một số nhóm hợp chất có sẵn phổ biến bao gồm: - Phenolics (phenols, phenolic acids, quinones, flavonoids, flavonones, flavenols, tannins, coumarins). - Terpenoids (capsaicin). - Alkaloids (berberine, piperine) - Lectins và polypeptides (mannose, fabatin). 2.1. Các chất ức chế được cây tiết ra bên ngoài. Cây có thể tiết ra một số hợp chất có tính độc đối với nấm bệnh. Ví dụ lá cà chua và củ cải đường tiết ra các chất kháng nấm ức chế sự nảy mầm bào tử nấm Botrytis và Cercospora; củ hành tây vỏ trắng bị nhiễm bệnh thán thư (Colletotrichum circinans) còn củ có vỏ đỏ không bị nhiễm do củ vỏ đỏ tạo ra các hợp chất phenolic (protocatechuic acid và catechol) có khả năng ức chế sự nảy mầm của nấm. Phun cây hướng dương bằng acibenzola-S-methyl (ASM) có thể chống bệnh gỉ sắt (Puccinia helianthi) do ASM kích thích cây tiết ra courmarin và các hợp chất phenolic có khả năng ức chế sự nảy mầm và hình thành giác bám của bào tử nấm. 2.2. Các chất ức chế có sẵn trong tế bào cây. Một số hợp chất phenolic, tannin và các hợp chất giống acid béo (ví dụ diene) có sẵn ở nồng độ cao trong tế bào lá non, quả non hoặc hạt có khả năng chống một số loại nấm nào đó, chẳng hạn Botrytis. Nhiều hợp chất tương tự có khả năng ức chế các enzyme thủy phân kể cả enzyme phân hủy pectin của tác nhân gây bệnh. Khi mô non trở nên già, nồng độ các chất ức chế này giảm và tính kháng cũng giảm theo. Catechin (có nhiều trong lá dâu tây) có khả năng ức chế sự hình thành đế xâm nhiễm của bào tử nấm Alternaria alternate. Nhiều hợp chất khác, chẳng hạn như saponin (là các hợp chất glycosid của triterpen và steroid; ví dụ điển hình là tomatin trong cà chua) ức chế các nấm thiếu enzyme saponinase phân hủy saponin. Ngoài ra, ở một số cây còn có một số chất – là các protein có trọng lượng phân tử thấp gọi là phytocystatin ức chế hoạt tính các enzyme proteinase nhóm cystein có trong hệ tiêu hóa của tuyến trùng và cũng do một số nấm tiết ra. Một nhóm hợp chất nữa gọi là lectin – là các protein liên kết đặc hiệu với đường. Lectin có nhiều trong hạt của nhiều loại cây và có thể dung tan hoặc ức chế sinh trưởng của nhiều loại nấm. 1. Phòng thủ chủ động 2.3. Phòng thủ chủ động nhờ hình thành các cấu trúc bảo vệ Cây phản ứng lại sự tấn công của tác nhân gây bệnh bằng cách hình thành 4 loại cấu trúc phòng thủ đặc biệt: (1) Cấu trúc hình thành liên quan đến tế bào chất của tế bào bị tấn công và được gọi là phản ứng phòng thủ tế bào chất. (2) Cấu trúc liên quan đến vách tế bào bị xâm nhập và được gọi là cấu trúc phòng thủ vách tế bào. (3) Cấu trúc liên quan đến mô cây phía trước tác nhân gây bệnh (sâu hơn về phía cây) và được gọi là cấu trúc phòng thủ mô. (4) Mô bị chết nhanh chóng nhằm ngăn chặn sự phát triển của bệnh và được gọi là phản ứng siêu nhạy. 3 2.3.1.Phản ứng phòng thủ tế bào chất Trong một vài trường hợp đối với các tác nhân ký sinh yếu, chẳng hạn môt số chủng nấm Armillaria gây bệnh cây thân gỗ, thì tế bào chất của tế bào ký chủ bao quanh cụm sợi nấm và nhân bị kéo căng và vỡ làm đôi. Trong một số trường hợp khác, tế bào chất của tế bào kí chủ trở nên đậm đặc, kết hạt. Sợi nấm cuối cùng bị phân hủy. 2.3.2. Hình thành cấu trúc phòng thủ vách tế bào Vách tế bào có thể biến đổi về hình thái để phản ứng lại sự xâm nhiễm của tác nhân gây bệnh, mặc dù kiểu phản ứng này tương đối kém hiệu quả. Có 4 loại biến đổi chính. (1) Lớp ngoài của vách tế bào nhu mô đang tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh sẽ phồng lên và tạo ra các vật liệu dạng sợi, vô định hình; các vật liệu này sẽ bao quanh vi khuẩn và ngăn cản sự nhân lên của vi khuẩn. (2) Vách tế bào hóa dày nhờ một chất có bản chất cellulose. Cấu trúc này thường liên kết với các hợp chất phenolic và ngăn cản sự xâm nhập của tác nhân gây bệnh. (3) Vách tế bào bị lignin hóa nhằm tăng cường chống sự xâm nhập của nấm tạo vòi áp; ngoài ra, sự lignin hóa cũng kháng nước do đó giảm hoạt tính của các enzyme phân hủy vách tế bào. (4) Hình thành các núm cấu tạo bởi callose (callose papillae; callose là 1 polysaccharide thực vật, cẩu tạo bởi glucose, hình thành bởi callose synthases ở vách tế bào và bị phân hủy bởi glucanases). Các núm này hình thành vài phút sau khi tế bào bị tổn thương và khoảng 2 – 3 giở sau khi lây nhiễm tác nhân gây bệnh. Mặc dù chức năng chính của núm callose là sửa chữa các tổn thương vách tế bào thì trong một số trường hợp, núm cũng có tác dụng ngăn cản sự xâm nhập của tác nhân gây bệnh. Trong một số trường hợp, các hợp chất callose bao quanh đỉnh sợi nấm xâm nhập, liên kết với các hợp chất phenolic và hình thành một ống bao quanh sợi nấm. 2.3.3. Hình thành cấu trúc phòng thủ mô (1) Hình thành lớp bần (cork layer). Sự xâm nhiễm của nấm, vi khuẩn, một số virus và tuyến trùng thường kích thích sự hình các lớp bần phía trước điểm xâm nhiễm. Bần là mô vỏ (thân, rễ) cấu tạo chủ yếu bởi suberin. Các lớp bần ngăn cản tác nhân gây bệnh phát triển xa hơn, ngăn cản các độc tố của tác nhân gây bệnh khuyếch tán ra phần mô khỏe và ngăn cản sự vận chuyển nước và dinh dưỡng từ phần mô khỏe vào mô nhiễm bệnh. Mô bị chết hoại, cùng với tác nhân gây bệnh, bị giới hạn bởi các lớp bần, có thể vẫn ở nguyên vị trí và tạo ra các vết bệnh kiểu vết đốm mà hình dạng, màu sắc và kích thước phụ thuộc vào tổ hợp ký sinh – ký chủ. Đối với một số bệnh, phần mô chết hoại có thể bị mô khỏe phía dưới đẩy lên tạo thành các vết ghẻ hoặc vết vẩy và do đó loại bỏ hoàn toàn tác nhân gây bệnh. (2) Hình thành tầng rời (abscission layer). Phiến giữa của 2 lớp tế bào bào bao xung quanh vết bệnh tách khỏi nhau tạo thành một lớp trống gọi là tầng rời. Sự hình thành tầng rời sẽ cô lập phần mô bệnh và thông thường mô bệnh sẽ tách khỏi mô khỏe tạo ra các lỗ thủng. Sự hình thành tầng rời rất hay bắt gặp trên các lá non đang phát triển của cây quả hạch. (3) Hình thành tylose. Tyloses hình thành trong mạch xylem của hầu hết cây bị strees hoặc bị tác nhân gây bệnh hại mạch dẫn tấn công. Tylose là sự sinh trưởng quá mức của protoplasm của tế bào nhu mô bao quanh tế bào xylem và nhô vào trong mạch xylem. Tylose có vách bằng cellulose và do kích thước cũng như số lượng nhiều của nó trong mạch xylem dẫn tới bịt kín 4 mạch xylem ngăn không cho tác nhân gây bệnh phát triển tiếp. Ở một số giống kháng, tylose hình thành rất nhiều và nhanh ngay phía trước đường tiến của tác nhân gây bệnh ngay trong rễ non và do đó ngăn không cho tác nhân gây bệnh phát triển tiếp. (4) Hình thành gôm. Nhiều loài cây, đặc biệt là các cây quả hạch, hình thành gôm ở xung quanh vị trí xâm nhiễm và tạo ra một rào cản không thể vượt qua đối với tác nhân gây bệnh. 2.4. Phòng thủ chủ động sinh hóa 2.4.1. Phytoalexin Lịch sử: Năm 1940, Muller và Borger đã công bố nghiên cứu trong đó củ khoai tây được lây nhiễm trước với một chủng nấm Phytophthora infestans không tương thích (không gây bệnh) sẽ tạo tính kháng đối với chủng P. infestans tương thích hoặc 1 chủng nấm Fusarium gây bệnh trên củ. Tiếp theo, trong vòng 15 năm, Muller đã làm các thí nghiệm và quan sát thấy hiện tượng tương tự trên đậu Hà Lan và đã phân lập được các hợp chất có hoạt tính kháng nấm mà ông gọi là phytoalexin. Định nghĩa: Phytoalexin là các hợp chất có trong lượng phân tử thấp, có tính kháng vi sinh vật, được tạo ra bởi cây do hậu quả của sự nhiễm bệnh hoặc các street sinh học. Đặc điểm: Phytoalexin đươc tạo ra trên các tế bào khỏe xung quanh, nhằm phản ứng với các chất khuyếch tán ra từ các tế bào bị xâm nhiễm hoặc tổn thương. Sự hình thành và tích lũy phytoalexin mang tính cục bộ (có nghĩa phytoalexin không lưu dẫn xa khỏi vị trí xâm nhiễm hoặc tổn thương), và xảy ra khá nhanh (khoảng vài giờ tới tối đa 2 ngày sau lây nhiễm). Các nguồn kích thích hình thành phytoalexin: Các chất kích thích cây hình thành phytoalexin được gọi là các elicitor. Số lượng và nguồn gốc elicitor rất đa dạng. Nấm, vi khuẩn, virus, tuyến trùng (đặc biệt là nấm) là các nhóm tác nhân gây bệnh cây được biết tạo ra các elicitor cảm ứng hình thành phytoalexin. Phần lớn các chất elicitor là các hợp chất cao phân tử như các chất cấu tạo vách tế bào nấm (glucan, chitosan, glycoprotein và polysaccharide; các chất này được giải phóng ra từ vách tế bào nấm nhờ enzyme của tế bào ký chủ). Phần lớn elicitor là không đặc hiệu có nghĩa chúng có mặt trên các chủng tác nhân gây bệnh khác nhau và kích thích tạo phytoalexin trên cả giống nhiễm và giống mẫn cảm. Mặc dù phần lớn elicitor có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh thì một số hợp chất lại có nguồn gốc từ tế bào cây. Ví dụ enzyme của tác nhân gây bệnh phân hủy galacturonic acid, một chất cấu tạo nên vách tế bào cây, thành các oligomer có hoạt tính kích thích tế bào cây tạo phytoalexin. Phytoalexin hình thành và tích lũy trên mô của cả giống nhiễm và giống kháng. Khi phytoalexin tích lũy tới một nồng độ nào đó sẽ ức chế sự phát triển của vi sinh vật . (thường là nấm). Các loài/chủng nấm có tính gây bệnh có xu hướng kích thích hình thành phytoalexin với nồng độ thấp hơn so với các loài/chủng không có tính gây bệnh. Ngoài ra, các loài/chủng nấm có tính gây bệnh cũng dường như kém mẫn cảm với tính độc của phytoalexin hơn so với các loài/chủng nấm có tính gây bệnh. Phytoalexin rất đa dạng về số lượng và cấu trúc. Khoảng 350 chất có tính chất giống phytoalexin đã được phát hiện từ khoảng 30 họ thực vật; trong đó khoảng 150 chất được phân lập trên cây họ đậu (Leguminosae). Phần lớn phytoalexin được phân lập trên cây 2 lá mầm, một số được phân lập trên cây một lá mầm. Cấu trúc hóa học của phytoalexin được phân lập từ một họ cây thường khá giống nhau. Các phytoalexin nhóm phenylpropanoid phổ biến trong nhiều họ thực 5 vật như Leguminosae, Solanaceae, Convolvulaceae, Umbelliferae và Gramineae; các phytoalexin nhóm isoflavonoid phổ biến trong họ Leguminosae; nhóm sesquiterpenoid phổ biến trong họ cà (Solanaceae). Một số phytoalexin được nghiên cứu nhiều là pisatin (trên đậu Hà Lan), glyceolin (trên đậu tương, cỏ 3 lá, cỏ alfafa), rhisitin (khoai tây); capsidiol (ớt); cammaxin (Arabidopsis). Tham khảo: Phytoalexin: What have we learned after 60 years. Annu. Rev. Phytopathol. 1999. 37:285–306 2.4.2. Các hợp chất phenolic Các hợp chất phenolic đơn giản : Một số hợp chất phenolic phổ biến thường hình thành và tíc lũy với tốc độ nhanh hơn trên cây bị bệnh, đặc biệt trên các giống kháng. Một số các hợp chất phenolic phổ biến là chlorogenic acid, caffeic acid, ferulic acid. Ví dụ quả đào xanh và quả đào trên giống kháng hình thành nhiều chlorogenic acid khi bị nhiễm nấm Monilinia fructicola. Hợp chất phenolic này ngoài gây độc trực tiếp đối với nấm thì quan trọng hơn còn ức chế các enzyme của nấm dùng để phân hủy mô ký chủ. Các hợp chất phenolic độc hình thành từ các hợp chất phenolic không độc : Nhiều cây chứa các chất glycoside (ví dụ như đường glucose) liên kết với các phân tử phenolic. Ở trạng thái liên kết, các hợp chất này không độc. Một số loại nấm và vi khuẩn có thể hình thành hoặc kích thích mô cây hình thành các enzyme glycosidase thủy phân các hợp chất trên và giả phóng các hợp chất phenolic độc. Vai trò của các enzyme oxy hóa các hợp chất phenolic : Nhiều hợp chất phenol trong cây có độc tính thấp đối với tác nhân gây bệnh. Trong nhiều trường hợp, trong mô nhiễm bệnh của các giống kháng bệnh, hoạt tính của các enzyme oxy hóa phenol (Vd. polyphenol oxydase) nhìn chung được tăng cường. Các enzyme này sẽ oxy hóa các hợp chất phenolic thành các hợp chất quinone có tính độc mạnh hơn. Một cơ chế khác: Trong quả xanh thường chứa dien (là các hợp chất hydrocarbon có chứa 2 liên kết kép), có tính độc cao đối với tác nhân gây bệnh. Khi quả chín, lượng lipoxygenase cũng gia tăng dẫn tới dien bị bẻ gẫy dẫn tới làm mất tính kháng của quả chín. Ở một số loại quả, elicitor từ nấm không gây bệnh đã kích thích hình thành một hợp chất phenolic là epicatechin. Epicatechin ức chế enzyme lipoxygenase dẫn tới lượng dien không bị giảm và quả chín vẫn có thể kháng được sự xâm nhiễm của nấm (đặc biệt là nấm thán thư) 2.4.3.PR protein (pathogenesis-related protein) Định nghĩa: Protein liên quan đến sự gây bệnh (PR protein) là các protein được cây tạo ra do sự gây bệnh bởi các tác nhân gây bệnh chủ yếu thuộc các nhóm nấm vi khuẩn, virus, tuyến trùng. Ngoài ra sự tấn công của côn trùng cũng kích thích cây tạo ra PR protein. Hiện có khoảng 17 nhóm (còn được gọi là họ) PR protein khác nhau, được ký hiệu từ PR1 đến PR17 (theo thứ tự được phát hiện. Nhiều nhóm có hoạt tính kháng nấm. Dưới đây là đặc điểm của một số nhóm quan trọng nhất : PR-1: Là nhóm protein có số lượng nhiều nhất; thường hình thành trong cây với hàm lượng rất cao sau khi bị nhiễm bệnh (có thể đạt tới 1-2% tổng lượng protein của lá). Protein của nhóm này đã được phát hiện thấy trên tất cả các loại cây được kiểm tra. Các protein có chức năng tương tự PR-1 cũng được phát hiện thấy ở nhiều sinh vât khác như nấm, côn trùng, đọng vật có xương sống (kể cả người). Mặc dù chức năng sinh học và cơ chế hoạt động của nhóm này chưa rõ nhưng các protein PR-1 có hoạt tính kháng nấm cả invitro và invivo. Các protein PR-1 có thể chia thành 2 nhóm hoặc kiềm hoặc acid. Trên thuốc lá, có ít nhất 16 protein PR-1 đã được khám phá, trong đó 3 protein loại acid (PR-1a, -1b,-1c) và 1 protein (PR-1g) hình thành khi cây bị nhiễm Tobacco mosaic virus. Trên lúa có 23 gen mã hóa protein PR-1. Trên ớt, sự biểu hiện của gen PR-1 loại 6 kiềm được cảm ứng bởi TMV đã tạo tính kháng đối với tolerance to P. parasitica var. nicotianae, Ralstonia solanacearum, và P. syringae pv. tabaci. PR-2: (β-1,3- glucanase). Là nhóm protein có mặt trong nhiều loài cây, động vật và vi sinh vật. Glucanase có thể chia thành 3 nhóm: nhóm I là các glucanase có tính kiềm hình thành ở không bào; nhóm II và III có tính acid và là các protein ngoại bào. Glucanase thuộc nhóm I có hoạt tính kháng nấm cả invitro và invivo. Glucanase thuộc nhóm II và III chỉ có hoạt tính kháng nầm nếu phối hợp với glucanase nhóm I hoặc chitinase. Đặc tính kháng nấm của glucanase là khả năng phân hủy vách tế bào của nấm (cấu tạo bởi glucan). PR-3 (chitinase lớp I, II, IV, VI, VII), PR-8 (chitinase lớp III) và PR-11 (chitinase lớp V). Các chitinase là loại protein chiếm số lượng lớn thứ 2 trong các PR protein. Các chitinase thực vật được chia làm 7 lớp (I, II VI) căn cứ vào cấu trúc protein, tính đặc hiệu cơ chất, cơ chế xúc tác và tính mẫn cảm với các chất ức chế. 7 lớp này lại được xếp vào 3 nhóm PR protein. Các chitinase có hoạt tính kháng nấm bằng cách xúc tác cho phản ứng thủy phân để cắt liên kết β-1,4- glycoside của N-acetyl-Dglucosamine (chitin, thành phần của vách tế bào nấm). Cần chú ý là phản ứng thủy phân này tạo ra các oligosacharid có vai trò là elicitor cho các phản ứng phòng thủ khác. PR-4 (protein liên kết chitin). Hoạt tính kháng nấm của các protein nhóm PR-4 làdo khả năng liên kết với chitin của vách tế bào nấm dẫn tới ức chế sinh trưởng của nấm. Loại PR-4 phổ biến nhất là legumin và vicilin (chiếm tới 80% hàm lương protein của hạt đậu). Vicilin đã được chứng minh có khả năng ức chế sinh trưởng và nảy mầm bào tử của nhiều loại nấm như Fusarium solani, F. oxysporum, Collectotrichum musae, Phytophthora capsici, Neurospora crassa, Ustilago maydis. Vicilin cũng được biết là có khả năng kháng cả côn trùng như một đậu (Callosobruchus maculatus). PR-5 (Thaumatin-like proteins). Osmotin và thaumatin-like (TL) protein là các protein có tính kiềm và có mức tương đồng chuỗi aa đáng kể với thaumatin (một protein có vị ngọt, phân lập từ cây Thaumatococcus danielli. Osmotin và TL tương tác với màng tế bào nấm và hình thành các lỗ thủng xuyên màng. Hai loại protein này cũng có hoạt tính 1,3-glucanase, liên kết với actin. Osmotin trên thuốc lá kích thích MAPK do đó phá vỡ 1 đường hướng dẫn truyền tín hiệu (dựa vào MAPK) nhằm tăng cường tính ổn định của vách tế bào nấm. TL protein có mặt trong nhiều loài cây. PR-6: Là họ các protein ức chế protease. Các protein PR6 có thể ức chế các protease nhóm aspartic, serine, cystein. PR-12 (Defensins) và PR-13 (thionins). Defensin và thionin là các protein có trọng lượng phân tử nhỏ (~5 kD), kích thước khoảng 45-54 aa. Các protein này là các protein hoạt động trên màng, phát hiện thấy ở tất cả các nhóm sinh vật và độc đối với nấm. Cơ chế gây độc đối với nấm của các loại protein này vẫn chưa rõ nhưng defensin đã được chứng tỏ là làm tăng vận chuyển ion K + ra ngoài màng, tăng hấp thụ Ca +2 của nấm Neurospora crassa. Chất defensin Dm-AMP1 của cây thược dược có thể tương tác đặc hiệu với sphingolipid của nấm men Sacharomyces cerevisiae. PR-14 (Protein vân chuyển lipid-LTP). Các LTP là các protein nhỏ, có tính kiềm. LTP vận chuyển phospholipid qua màng. Phân tử LTP có cấu hình gồm một xoang ghét nước chạy dọc phân tử. Phân tử LTP khi tương tác với màng tế bào nấm sẽ tự gắn xuyên qua màng tế bào và xoang ghét nước sẽ tạo ra các lỗ dò trên màng tế bào nấm và nấm sẽ chết. Ngoài ra, một LTP tờ cây Arabidopsis dã đươch chứng minh có khả năng vận chuyển các các phân tử tín hiệu trong phản ứng SẢR 7 2. Sự chết tế bào được lập trình (Programmed Cell Death – PCD), Apostosis và phản ứng siêu nhạy (Hypersensitive Responnd – HR) 2.5. Sự chết tế bào được lập trình (PCD). PCD là quá trình tự chết của tế bào, có những biến đổi hình thái đặc trưng, diễn ra theo một trình tự nhất định, được điều khiển bởi di truyền, nhằm đạt được và duy trì trạng thái cân bằng trong quá trình phát triển và chống lại các street môi trường và sự tấn công của tác nhân gây bệnh. PCD xuất hiện thường xuyên trong suốt đời sống thực vật, trong quá trình biệt hóa cơ quan, mô và tế bào. Các ví dụ là: Sự hình thành và phát triển hoa: hoa đực hình thành do PCD ở các tế bào vòi nhụy, noãn hình thành trước đó; và ngược lại, hoa cái hình thành do PCD ở các tế bào nhị đực. Các tế bào chóp rễ bị chết do PCD trong qua trình phát triển; hoặc các rễ bên hình thành mới tại vị trí có dinh dưỡng hoặc nước còn các rễ già không chức năng sẽ chết do PCD. Tầng aleuron sẽ chết do PCD sau khi phôi phát triển. Hai dạng chính của PCD là tự thực bào (autophagy) và apoptosis. Ngoài ra, nhằm chống lại sự tấn công của tác nhân gây bệnh, thực vật còn phát triển một loại PCD nữa là phản ứng siêu nhạy (Hypersensitive Resopnse – HR). 2.6. Apoptosis. Apoptosis là một dạng PCD và hiện đang nhân được nhiều chú ý trong nghiên cứu y sinh và kể tính kháng bệnh ở thực vật. Apoptosis là một quá trình chết sinh lý nhằm loại bỏ có chọn lọc các tế bào không mong muốn. Quá trình apoptosis có một số đặc điểm sau: tế bào chất bị nhăn, màng tế bào chất bị phồng, mất tiếp xúc giữa các tế bào, nDNA (DNA nhân) bị phân cắt tại các vị trí bên trong nhiễm sắc thể, tăng cường luồng ion Ca vào tế bào, hoạt hóa một số enzyme đặc biệt và giải phóng cytochrome c khỏi ty thể. Ngoài ra apoptosis liên quan đến đường hướng dẫn truyền tín hiệu dựa vào ceramide (là một họ các phân tử chất béo; một ceramide gồm một phân tử sphingosin và một phân tử acid béo). Các ceramide là các phân tử gắn trên màng. Người ta đã phát hiện thấy một số độc tố nấm như fumonisinB (do nấm Fusarium moniliforme) và AAL toxin (do nấm Alternaria alternate) có khả năng ức chế các enzyme ceramidase dẫn tới hoạt hóa phản ứng apoptosis. 2.7. Phản ứng siêu nhạy. Một trong các dấu hiệu của tính kháng bệnh là phản ứng siêu nhạy. Phản ứng siêu nhạy (HR) được định nghĩa là sự chết nhanh chóng và cục bộ của tế bào thực vật tại vị trí nhiễm bệnh. HR có thể được cảm ứng bởi nhiều nhóm tác nhân gây bệnh (nấm sinh dưỡng, vi khuẩn, virus và tuyến trùng). HR thường xuất hiện trong nhiều tính kháng: tính kháng phi kí chủ/kí chủ, tính kháng thông qua gen R, tính kháng đơn gen/đa gen HR là hậu quả của một dòng thác các phản ứng dẫn truyền tín hiệu và phòng thủ tại các tế bào bị xâm nhiễm hoặc lân cận dẫn tới hình thành các chất độc (ví dụ các hợp chất phenolic bị oxy hóa) đầu độc cả tế bào lẫn tác nhân gây bệnh. Ngoài ra, nếu tác nhân gây bệnh không chết thì mô bị chết hoại cũng ngăn không cho tác nhân gây bệnh lan truyền tiếp. Cần chú ý là, trong nhiều trường hợp, HR không hình thành vết chết hoại có thể nhìn thấy bằng mắt thường vì HR xuất hiện chỉ ở tế bào nhiễm bệnh hoặc ở vài tế bào xung quanh. HR của tế bào ký chủ có một số đặc điểm khá khác biệt so với các dạng PCD khác, nhất là về biến đổi hình thái của tế bào ký chủ. Nghiên cứu phản ứng siêu nhạy giữa nấm Uromyces 8 vignae và đậu đũa, giữa nấm Erysiphe graminis f.sp hordei và tiểu mạch thấy các sự kiện sau: (1) nhân tế bào ký chủ di chuyển tới vị trí xâm nhiễm, dòng tế bào chất mất linh động, trở nên căng; (ii) tế bào chất ngừng chuyển động, các cơ quan tử chuyển động Brown, nhân hóa đậm đặc, tích lũy các thể hạt ở ngoại vi tế bào chất, nguyên sinh chất trở nên nhăn; và (iii) tế bào chất sụp đổ, tế bào chết. Các nghiên cứu gần đây còn cho thấy trong phản ứng HR, các loại màng bị mất chức năng, tế bào chất hóa không bào mạnh (vacuonization), phá hủy không bào và hình thái ty thể bị biến đổi toàn diện (ty thể bị phồng lên và rãnh ty thể bị phá hủy). Ngoài ra một đặc điểm để phân biệt khác là tốc độ phản ứng. Nhìn chung, HR diễn ra rất nhanh: khi nghiên cứu tổ hợp nấm Phytophthora infesstans/ khoai tây và sử dụng kính hiển vi video, người ta đã quan sát thấy tế bào ký chủ sụp đổ và chết sau 26 giây và nấm chết sau đó khoảng 20 giây; vết chết hoại có thể quan sát thấy bằng mắt sau nhiều giờ (ví dụ sau 8-12 giờ sau khi lây nhiễm vi khuẩn Erwinia carotovora mang gen Hrp Ecc trên thuốc lá). Việc phân biệt HR và các dạng PCD khác không dễ dàng. Trong một số trường hợp, HR có biểu hiện biến đổi hình thái giống như apoptosis chẳng hạn như: khi nhiễm nấm gỉ sắt Uromyces vignae trên giống đậu đũa kháng bênh đã tao ra phản ứng HR, trong đó nDNA của các tế bào chết hoại đã bị phân cắt thành thang DNA, một dấu hiệu của apoptosis. Hơn nữa các đường hướng nhận biết, dẫn truyền tín hiệu và các đặc trưng sinh hóa khá giống nhau giữa HR và apoptosis, chẳng hạn đều có sự liên quan đến dòng thác ion (Ca +2 , K +1 ) vào/ra tế bào, các lớp oxy hoạt hóa (O 2 - , H 2 O 2 ), nitơ hoạt hóa (NO), các protein kinase… II. Các biện pháp kích hoạt tính kháng sâu, bệnh của cây trồng. 1. Khái niệm. Kích hoạt (kích thích) tính kháng của cây trồng thường được gọi tắt là “kích kháng”. Là một phương pháp giúp cho cây trồng bị nhiễm xó khả năng kháng được sâu, bệnh hại ở một mức độ nào đó. Kích kháng không tác động trực tiếp tới mầm bệnh mà nó kích thích cơ chế tự vệ tự nhiên trong mô cây. Chất kích kháng có thể là một loài vi sinh vật không gây bệnh, khoongmang tính độc và không có tác động trực tiếp diệt mầm bệnh. 2. Cơ chế kích kháng. Ở cây trồng, trong tế bào cây có các gen giúp tế bào cây tiết ra các chất có khả năng kháng lại với một loại bệnh nào đó hay là chống sự gây hại của một loài sâu hại nào đó. Trong điều kiện bình thường các gen này luôn bị một gen ức chế nằm bên cạnh ức chế. Khi ta tác động các tác nhân gây kích kháng bằng cách ngâm hạt. rễ, hay phun lên lá, tác nhân này tác động lên bề mặt lá, kích thích các thụ thể này tạo ra tín hiệu rồi chuyển tín hiệu này vào nhân tế bào và tác động vào gen ức chế, làm cho các gen ức chế không còn ức chê các gen giúp tế bào cây tiết ra các chất kháng. Nhờ các chất kháng này mà giúp cây trồng từ nhiễm bệnh trở thành kháng bệnh (Phạm Văn Kim, 2002). 3. Các loại kích kháng. 3.1. Kích kháng tại chỗ (loacal induced restance). Hiệu quả kích thích tính kháng chỉ xảy ra tại vị trí được xử lý bởi các tác nhân kích kháng. Có nghiên cứu về hiện tượng này rất phong phú trên nhiều loại cây trồng khác nhau. - Xử dụng chất syringilin tiết ra từ vi khuẩn Pseudomonas syringae pv.syringae kích thích tính kháng tại chỗ với nấm gây bệnh bạc lá lúa Pyricularia oryzae (Waspi. U. và ctv.,2000). - Phun monopotassium phosphate 1% lên ớt kích thích tính kháng với bệnh phấn trắng do Leveilluala taurica (Reuveni và ctv, 1998). 3.2. Kích kháng lưu dẫn (systemic acquired resistance: SAR). 9 Tính kháng không chỉ thể hiện tại các vị trí được xử lý bởi tác nhân kích kháng mà còn truyền đến những mô cây cách xa nơi được xử lý kích kháng (Ryal và ctv, 1996). Những tác nhân này có cả tác nhân sinh học và không phải sinh học. Khi xử lý kích kháng bằng biện pháp ngâm hạt nhưng cây có khả năng tự vệ kháng lại các bệnh trên lá cunhx thể hiện kích kháng lưu dẫn. Kích kháng lưu dẫn khác với kích kháng tại chỗ ở những tín hiệu có khả năng truyền đến các mô của cây khác xa điểm xử lý kích kháng và làm nâng cao khả năng tự vệ trong cây (Van Loon và ctv, 1998). - Manandhar và ctv (1998) kích thích tính kháng lưu dẫn chống bệnh bạc lá lúa bằng cách sử dụng dòng nấm Pyricularia oryzae không độc tính và nấm Bipolaris sorokiniana không những làm giảm bệnh mà còn tăng năng suất lúa. III. Kết luận và đề xuất, kiến nghị. III.1. Kết luận chung. Cây chống lại tác nhân gây bệnh nhờ kết hợp các vũ khí từ 2 kho vũ khí là: - Các đặc điểm cấu trúc – có vai trò là các rào cản vật lý ngăn cản tác nhân gây bệnh xâm nhập vào và phát triển trong cây. - Các phản ứng sinh hóa xảy ra trong tế bào và mô cây, hình thành các chất hoặc là độc đối với tác nhân gây bệnh hoặc tạo điều kiện ức chế sự sinh trưởng của tác nhân gây bệnh. Sự kết hợp 2 kho vũ khí này khác nhau tùy tổ hợp ký sinh – ký chủ. Nhờ các biện pháp kích thích tính kháng mà cây trồng hình thành tính kháng, từ cây bị sâu, bệnh gây hại chuyển thành cây kháng sâu, bệnh. III.2. Kiến nghị, đề xuất. - Do thời gian thực hiện đề tài ngắn, chưa thực hiện được các thì nghiệm kiểm chứng nên cần tiếp tục thực hiện đề tài này, thực hiện các thí nghiệm kiểm chứng và đi sâu hơn về các đối tượng cụ thể. - Cần nghiên cứu thêm sự kết hợp giữa các đặc điểm cấu trúc và các phản ứng sinh hóa của cây trong viếc hình thành tính kháng cũng như sự kháng bệnh của cây trồng. 10 . kháng sâu, bệnh của cây trồng. Đến nay kiến thức của nhân loại đã tiến khá sâu vào lĩnh vực miễn dịch của thực vật đối với sâu, bệnh hại. Bên cạnh việc tiến rất sâu vào lĩnh vực phân tử của. Bipolaris sorokiniana không những làm giảm bệnh mà còn tăng năng suất lúa. III. Kết luận và đề xuất, kiến nghị. III.1. Kết luận chung. Cây chống lại tác nhân gây bệnh nhờ kết hợp các vũ khí từ 2 kho. KHẢO http://123doc.vn/document/516634-giao-trinh-mien-dich-thuc-vat.htm http://timtailieu.vn/tai-lieu/bai-giang-mien-dich-thuc-vat-cac-bieu-hien-cua-tinh-khang-22215/ http://text.123doc.vn/document/516634-giao-trinh-mien-dich-thuc-vat.htm http://iasvn.org/homepage/Su-hieu-biet-cac-gien-khang-benh-o-cay-trong-giup-dam-bao-san- xuat-luong-thuc-trong-tuong-lai-5237.html http://luanvan.co/luan-van/de-tai-nghien-cuu-anh-huong-cua-chat-kich-khang-phong-tru-nam- gay-benh-hai-hat-giong-lua-17322/ Giáo trình Miễn dịch thực vật_NXBNN do Thầy Hà Viết Cường Biên soạn năm 2008. 11