Miễn dịch học thực vật Bài 1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ MIÊN DỊCH THỰC VẬT 1.1 Đối tượng định nghĩa Miễn dịch (immunity) : thuật ngữ y học mô tả trạng thái có đủ phòng thủ sinh học nhằm tránh nhiễm bệnh công tác nhân sinh học Đối với thực vật, miễn dịch, hiểu theo nghĩa hẹp, khả trì không bị bệnh nhờ đặc điểm cấu trúc chức di truyền Tuy nhiên, miễn dịch môn học miễn dịch thực vật cần phải hiểu rộng khả chống lại mức độ công tác nhân gây bệnh nhờ đặc điểm cấu trúc chức di truyền Theo nghĩa rộng này, miễn dịch hiểu tính kháng với tác nhân gây bệnh Miễn dịch thực vật, vậy, nghiên cứu tương tác tác nhân gây bệnh ký chủ trình gây bệnh nhằm hiểu ứng dụng khả kháng bệnh 1.2 Lịch sử khái niệm miễn dịch động vật Nguồn gốc từ miễn dịch (immunity): Miễn dịch (Immunity) có nguồn gốc từ từ la tinh immunitas có nghĩa ngoại lệ: phục vụ quân đội, trả thuế dịch vụ công cộng khác Trong văn học Roman, immunity có nghĩa rộng (vd: khả sống sót bị nhiễm độc bị bệnh truyền nhiễm) Trong y khoa, miễn dịch định nghĩa kháng (resistance) lại bệnh (truyền nhiễm) Các khám phá lịch sử: • Phương pháp chủng đậu người Trung Quốc Ấn Độ Bệnh đậu mùa người Variola major virus (chi Orthpoxvirus) xuất khoảng 10.000 năm trước công nguyên, bệnh nguy hiểm người, đặc biệt trẻ em Từ 20 – 60 % người nhiễm bệnh (trong 80% trẻ em) bị chết Bệnh gây khoảng 300-500 triệu người chết kỷ 20 Năm 1979, WHO tuyên bố xóa bỏ bệnh nhờ chiến dịch vacxin suôt kỷ 19 20 Từ nhiều kỷ trước, người Trung Quốc Ấn Độ (khoảng kỷ 16) biết chữa bệnh cách nghiền vảy đậu mùa từ người bệnh, sau nhỏ vào mũi bôi vào vết cắt da người khỏe để phòng bệnh Vào khoảng 1720, bà Mary Montagu, vợ đại sứ người Anh Thổ Nhĩ Kỳ giới thiệu phương pháp chủng đậu người Thổ (tương tự người Ấn người Trung Quốc) vào Tây Âu • Phương pháp tạo miễn dịch chéo Cuối kỷ 18, Edward Jenner, dược sĩ người Anh nghe thông tin có cô gái không bị bệnh đậu mùa cô bị bệnh đậu bò (do Cowpox virus, virus chi Orthpoxvirus với virus đậu mùa), bệnh gia súc người triệu chứng nhẹ nhiều Thông tin gợi ý Jenner thực thí nghiệm chủng đậu người khỏe vết bệnh da người bị đạu bò nhằm chống bệnh đậu mùa Phương pháp Jenner sau sử dụng rộng rãi Anh Vào năm1838, phủ Anh thông qua luật chủng đậu miễn phí cho người dân, 20 năm sau, chủng đậu bắt buộc Anh • Phương pháp tạo miễn dịch dùng tác nhân gây bệnh nhược độc Phương pháp gắn liền với tên tuổi Louis Pasteur, nhà hóa học vi sinh vật học người Pháp Ông khám phá kỹ thuật tiêm chủng nhờ nghiên cứu bệnh tả gà (Pasteurella multocida), bệnh than (Bacillus anthracis) bệnh dại (Rabies virus) • Đọc thêm: http://nfs.unipv.it/nfs/minf/dispense/immunology/immun.html 1.3 Lịch sử miễn dịch thực vật 1894 Ericksson cho biết nấm gỉ sắt cốc (Puccinia graminis) gồm chủng sinh lý phân biệt hình thái khác tính gây bệnh ký chủ (vd số chủng gây bệnh lúa mỳ không gây bệnh đại mạch tiểu mach) Hiện nay, chủng sinh học 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, H M Ward 1915 E C Stakman: nghiên cứu bệnh gỉ sắt lúa mỳ ghi nhận phản ứng chết hoại nhanh mô lúa mỳ nấm gọi “phản ứng siêu nhạy” (hypersensitive respond) 1964, Z Klement đồng nghiệp ghi nhận phản ứng siêu nhạy xảy công vi khuẩn bệnh Chú ý năm 1972, phản ứng siêu nhạy phát động vật gọi phản ứng apoptosis Apotosis lĩnh vực nghiên cứu hấp dẫn sinh học (y học, thú y học bệnh cây, xem chương ) 1905, R H Biffen báo cáo tính kháng bệnh gỉ sắt giống lúa mỳ (Michigan Bronze (S) Rivet (R)) di truyền theo luật Mendel 1909, Orton, nghiên cứu bệnh héo Fusarium (Fusarium oxysporum) bông, dưa hấu đậu phân biệt khái niệm kháng bệnh (resistance), thoát bệnh (escape), chịu bệnh (tolerance) 1914, Stakman đồng nghiệp đưa khái niệm chủng khác loài tác nhân gây bệnh phân biệt hình thái phân biệt cở sở tính gây bệnh khác giống khác loài ký chủ Điều giải thích (i) giống kháng bệnh vùng nhiễm bệnh vùng khác, (ii) tính kháng bệnh thay đổi từ năm sang năm khác (iii) giống kháng trở lên nhiễm bệnh Tất có mặt hay thay đổi thành phần chủng sinh lý tác nhân gây bệnh 1940-1965 H.H Flor, nghiên cứu bệnh gỉ sắt lanh phát thấy rằng: gen qui định tính kháng ký chủ có gen tương ứng qui định tính gây bệnh 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 quan hệ gen-đối-gen (gene-for-gene) thuyết ông khám phá gọi thuyết gen-đối-gen Ông xem nhà khoa học có công lao thuyết gen-đối-gen thuyết quan trọng lĩnh vực tính kháng bệnh bệnh học thực vật Ngày nay, nhiều khía cạnh thuyêt gen-đối-gen chứng minh bổ sung mức phân tử (xem chương ) 1963, Vanderplank cho biết có hai loại tính kháng: (1) tính kháng dọc (vertical resistance) điều khiển vài gen kháng chủ (“major” resistance gene) có tính kháng cao chống hay vài chủng tác nhân gây bệnh; (2) tính kháng ngang (horizontal resistance) nhiều gen kháng thứ (“minor” resistance gene) có tính kháng yếu chống tất chủng tác nhân gây bệnh Vanderplank xem nhà khoa học có đóng góp lớn bệnh học 1.4 So sánh miễn dịch động vật thực vật Trong năm gần đây, nhà nghiên cứu thường so sánh tính kháng thực vật với tính miễn dịch động vật áp dụng nhiều khái niệm 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 có nhiều điểm giống 1.4.1 Sự khác Sự khác dễ thấy động vật máu nóng có hệ miễn dịch thực vật Hệ miễn dịch động vật máu nóng bao gồm quan có thẩm quyền miễn dịch tế bào có thẩm quyền miễn dịch Các quan có thẩm quyền miễn dịch (tuyến ức, lách, tủy ) nơi sản sinh, trì, biệt hoá điều khiển hoạt động tế bào có thẩm quyền miễn dịch Các tế bào có thẩm quyền miễn dịch (chủ yếu gồm loại lympho bào B lympho bào T) tham gia vào trình đáp ứng miễn dịch thể nhằm chống lại tác nhân lạ xâm nhập Có kiểu đáp ứng miễn dịch: • Kiểu đáp ứng miễn dịch dịch thể: Khi kháng nguyên xâm nhập vào thể, bị đại thực bào vây bắt, xử lý trình diện cho lympho bào B Lympho bào B biệt hoá thành tế bào plasma sản xuất kháng thể dịch thể Kháng thể dịch thể tồn dịch thể (huyết tương) kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên • Kiểu đáp ứng miễn dịch tế bào: Khi kháng nguyên xâm nhập vào thể, bị đại thực bào vây bắt, xử lý trình diện cho lympho bào T Lympho bào T biệt hoá thành lympho bào T mẫn cảm kháng nguyên thân chúng kháng thể tế bào Kháng thể kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên 1.4.2 Sự giống Ở mức độ phân tử tế bào, phản ứng phòng thủ thực vật động vật chia sẻ nhiều đặc điểm chung mà quan trọng trình nhận biết khởi động phản ứng kháng hay miễn dịch Để kích hoạt phản ứng kháng hay miễn dịch, tế bào động vật thực vật phải có khả nhận biết tác nhân vi sinh vật ngoại lai Các tác nhân vi sinh vật hình thành phân tử gọi mô hình phân tử có nguồn gốc vi sinh vật (gây bệnh hay không gây bệnh) ký hiệu MAMP/PAMP (Microbe/Pathogen-Associated Molecular Pattern) Một số ví dụ MAMP/PAMP lipopolysacharide (LPS) vi khuẩn Gram (-), peptidoglycan vi khuẩn Gram (+), flagellin lông roi vi khuẩn; glucan, chitin vách tế bào nấm Một đặc điểm quan trọng MAMP/PAMP bảo thủ; điều dẫn tới receptor nhận biết mô hình (PRR, viết tắt từ Pattern Recognition Receptor) tức nhận biết PAMP/MAMP giống động vật thực vật PRR động vật protein Toll ruồi dấm, Toll-like receptor (TLR) động vật máu nóng PRR thực vật nhiều loại protein R Các PRR có đặc điểm cấu trúc giống nhau, chẳng hạn có vùng lặp giàu leucine đầu amin (gọi vùng LRR, viết tắt từ Leucine Rich Repeats) – nơi nhận biết MAMP/PAMP; vùng TIR (Toll – Interleukin Receptor) đặc điểm chức giống nhận biết MAMP/PAMP khởi động phản ứng miễn dịch/kháng kháng bẩm sinh 1.5 Các khái niệm tính kháng bệnh thực vật Tính kháng (resistance) Là khả loại bỏ khắc phục hoàn toàn, mức độ đó, ảnh hưởng tác nhân gây bệnh yếu tố gây hại Miễn dịch (Immunity) Là dạng cực kháng, có nghĩa tác nhân gây bệnh gây bệnh cho Bệnh ngoại lệ qui luật Cây thường không bị bệnh suốt đời sống tiếp xúc với nhiều tác nhân gây bệnh Mỗi loài trung bình bị công khoảng 100 loại tác nhân gây bệnh khác nhau; cá thể bị hàng trăm tới hàng trăm ngàn cá thể loại tác nhân gây bệnh Mặc dù chịu thiệt hại tồn tại, nhìn chung sinh trưởng phát triển tốt Nếu tác nhân gây bệnh tiếp xúc hoàn toàn không gây bệnh cho gọi phi ký chủ (non-host) tác nhân gây bệnh tính kháng trường hợp gọi tính kháng phi kí chủ (nonhost resistance) hay gọi tính kháng (basic resistance) Tương tác tác nhân gây bệnh cây, trường hợp gọi tương tác không tương hợp (incompatible reaction) Cây phi kí chủ tác nhân gây bệnh gọi miễn dịch tác nhân gây bệnh Ví dụ mối quan hệ nấm đạo ôn lúa với cà chua Nếu tác nhân gây bệnh tiếp xúc gây bệnh mức độ cây, trường hợp này, gọi ký chủ (host) tính kháng goi tính kháng ký chủ (host resistance) Tính kháng ký chủ chia thành loại: tính kháng đặc hiệu chủng (race-specific resistance) tính kháng không đặc hiệu chủng (race-none-specific resistance) Tính kháng không đặc hiệu chủng (Race-non-specific resistance): Tính kháng yếu kháng tất kiểu gen tác nhân gây bênh Tính kháng không đặc hiệu chủng gọi tính kháng ngang (horizontal resistance) Tính kháng đặc hiệu chủng (Race-specific resistance): Tính kháng cao kháng số kiểu gen (chủng, nòi) tác nhân gây bệnh Tính kháng đặc hiệu chủng gọi tính kháng dọc (vertical resistance) Tính kháng bẩm sinh (Innate resistance): Tính kháng tiềm di truyền qui định Tính kháng tạo (Acquired resistance=induced resistance) Tính kháng hình thành cục hệ thống ký chủ mẫn cảm bị kích thích tác nhân gây bệnh yếu tố vô sinh Tính kháng đời (hay gọi tính kháng con) (Seedling or overall resistance): Tính kháng biểu tất giai đoạn Việc chọn tính kháng thường làm giai đoạn Tính kháng thường điều khiển các gen chủ đặc hiệu chủng Tính kháng mô trưởng thành (Mature tissue resistance): Ở số loài cây, có mô non mẫn cảm với bệnh mô già hoàn toàn kháng Tính kháng trưởng thành (Adult plant resistance): Tính kháng biểu trưởng thành, thường gen chủ đặc hiệu chủng điều khiển Tính kháng gen chủ (Major gene resistance): Tính kháng qui định vài gen có ảnh hưởng lớn đến biểu tính kháng Mức độ lớn đủ để tạo tính trạng kháng riêng rẽ không liên tục Tính kháng gen thứ (Minor gene resistance): Tính kháng qui định gen có ảnh hưởng nhỏ đến biểu tính kháng Mức độ nhỏ tạo tính trạng kháng liên tục Tính kháng đơn gen (Monogenic resistance): tính kháng điều khiển gen, thường gen chủ Tính kháng đa gen (polygenic resistance): tính kháng điều khiển nhiều gen, thường gen thứ Tính kháng chất lượng (qualitative resistance ): Kiểu gen ký chủ biến động liên tuc tính kháng Kiểu gen kháng mẫn cảm phân biệt dễ dàng Tính kháng số lượng (Quantitative resistance-QR): Kiểu gen ký chủ có biến động liên tuc biểu tính kháng từ kháng nhẹ tới kháng Hầu hết giống có tính kháng số lượng Tính kháng đồng ruộng (Field resistance): Tính kháng biểu tốt đồng ruộng, thường tính kháng số lượng Tính kháng bền vững (Durable resistance): Tính kháng trì thời gian lâu tác động tác nhân gây bệnh Tính kháng ổn định (Stable resistance): Đôi dùng sai theo nghĩa tính kháng bền vững Nghĩa tính kháng biểu nhiều điều kiện sinh trưởng khác Ví dụ nhiều gen kháng gỉ sắt ngũ cốc mẫn cảm với nhiệt độ nên xem có tính kháng không ổn định Tính kháng biểu kiến (apparent resistance) Trong số điều kiện đó, tác nhân gây bệnh ký chủ tương hợp với (thậm chí ký chủ mẫn cảm) không bị nhiễm bệnh nhiễm bệnh không biểu triệu chứng triệu chứng không đáng kể Trường hợp gọi tính kháng biểu kiến Tính kháng biểu kiến gồm loại: thoát bệnh chịu bệnh Sự thoát bệnh (Disease escape) Một (giống cây) ký chủ mẫn cảm thoát bệnh thành phần cần thiết cho hình thành phát triển bệnh (ký chủ mẫn cảm, tác nhân gây bệnh độc môi trường thuận lợi) không trùng khớp tương tác với thời điểm thích hợp với thời lượng đủ Tính chịu bệnh (Tolerance) Tính chịu bệnh khả bị nhiễm bệnh không bị ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng sinh sản Cần ý là, có ý kiến cho chịu bệnh dạng kháng bệnh, khác tính chịu bệnh, không biểu phản ứng kháng bệnh Phản ứng siêu nhạy: phản ứng nhiễm bệnh tế bào bị xâm nhiễm tế bào lân cận chết nhanh chóng tạo vết chết hoại Vết chết hoại 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 giống khác MDĐV 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 khái niệm tính kháng bệnh ... học có đóng góp lớn bệnh học 1. 4 So sánh miễn dịch động vật thực vật Trong năm gần đây, nhà nghiên cứu thường so sánh tính kháng thực vật với tính miễn dịch động vật áp dụng nhiều khái niệm miễn. .. động vật máu nóng có hệ miễn dịch thực vật Hệ miễn dịch động vật máu nóng bao gồm quan có thẩm quyền miễn dịch tế bào có thẩm quyền miễn dịch Các quan có thẩm quyền miễn dịch (tuyến ức, lách, tủy... niệm 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 có nhiều điểm giống 1. 4 .1 Sự khác Sự khác dễ thấy động vật máu