Sự tồn tại của các gen Avr và sản phẩm của chúng là các protein Avr đã được chứng minh bằng thực nghiệm dựa trên các thí nghiệm của Flor từ những năm 1940. Cho tới nay, nhiều gen Avr đã được xác định từ nhiều nhóm tác nhân gây bệnh bao gồm nấm, vi khuẩn và virus.
Một số thuật ngữ liên quan hiện đang được sử dụng:
Effector (chất hiệu ứng): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh tác động lên tế
bào ký chủ, nhờ đó tạo điều kiện cho sự nhiễm bệnh. Một effector được gọi là elicitor khi nó bị cây nhận biết và khởi động phản ứng phòng thủ.
Elicitor (chất kích hoạt): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh khởi động phản
ứng phòng thủ dẫn tới tăng cường tính kháng và được cây nhận biết. Khi sự nhận biết được thực hiện nhờ protein R của cây ký chủ thì elicitor của tác nhân gây bệnh được xem là protein Avr.
Định nghĩa gen Avr
Gen Avr là các gen làm cho tác nhân gây bệnh trở thành không độc khi có mặt gen kháng R của cây ký chủ. Khả năng này của gen Avr có được là do sản phẩm protein của nó cảnh báo tế bào cây ký chủ về sư tấn công của tác nhân gây bệnh và do đó khởi động phản ứng phòng thủ dẫn tới phản ứng siêu nhạy/apoptosis. Như vậy có thể xem protein Avr là elicitor được cây nhận biết thông qua gen kháng R
Không giống như gen/protein kháng R của cây, nhìn chung, gen/protein Avr của tác nhân gây bệnh chia sẻ ít đặc điểm chung với nhau. Dưới đây là một số đại diện gen/protein Avr.
Họ gen AvrBs3 của vi khuẩn Xanthomonas. Cho tới nay, khoảng 40 gen Avr thuộc họ này đã được xác định từ nhiều loài vi khuẩn Xanthomonas kể cả 1 gen Brg11 của vi khuẩn
Ralstonia solanacearum. Các ví dụ về các gen Avr thuộc họ này bao gồm:
X. campestris pv. vesicatoria AvrBs3, AvrBs4
X. oryzae pv. oryzae AvrXa5, AvrXa3, AvrXa7, AvrXa10, AvrXa27
X. oryzae pv. oryzicola Avr/pth3, Avr/pth13, Avr/pth14
X. campestris pv. malvacearum AvrP6, PthN
X. axonopodis pv. citri Apl1, Apl2, Apl3, PthA, PthA1, PthA2, PthA3, PthA4, PthB
X. campestris pv. manihotis PthB
Ralstonia solanacearum Brg11
Các gen thuộc họ này mã hóa cho các protein chứa khoảng 13 - 23 các chuỗi lặp gồm 34 aa ở vùng trung tâm. Đầu C của các protein này chứa dấu hiệu nhập nhân (Nuclear Localization Signal – NLS) và một vùng hoạt hóa phiên mã (Activated Domain – AD). Cấu trúc này chứng tỏ (đã được chứng minh bằng thực nghiệm) các protein này hoạt động trong nhân và tương tác với quá trình phiên mã của tế bào ký chủ.
Gen AvrPto của vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato (gây bệnh đốm đen vi khuẩn cà chua). Gen này mã hóa protein AvrPto có trọng lượng phân tử thấp khoảng 18 kD và được hệ thống tiết loại 3 của vi khuẩn đưa và trong tế bào chất.
Các gen Avr của nấm. Có khá nhiều gen Avr của nấm đã được phân lập. Một số protein
Avr là các protein giàu cystein như AvrCf2 của nấm Cladosporium fulvum; AvrP4; AvrP123 của nấm M. lini. Một số protein Avr được nấm tiết ra ở gian bào (apoplasm) và tương tác với protein R của ký chủ ở bề mặt tế bào; vi dụ như các protein AvrCf2, vrCf4, AvrCf9 của nấm
C. fulvum. Một số lại được nấm tiết trực tiếp vào tế bào chất qua vòi hút chẳng hạn như các protein kháng của nấm sương mai, phấn trắng, gỉ sắt.
Các gen Avr của virus. Đối với virus thực vật, các gen Avr thường liên quan đến 1
protein chức năng của virus. Ví dụ điển hình là protein tái sinh (Replication protein) của
Tobacco mosaic virus –TMV. Gen Rep của TMV là gen không độc tương ứng với gen kháng N trong cây thuốc lá. Ngoài ra, các protein vỏ (Coat Protein – CP) của virus cũng là gen Avr phổ biến đối với virus.
Một câu hỏi cần đặt ra là tại sao các gen/protein Avr của tác nhân gây bệnh làm giảm khả năng tấn công (mất ưu thế thích nghi) của tác nhân gây bệnh lại vẫn tồn tại trong quần thể tác nhân gây bệnh. Câu trả lời là mặc dù các gen này có thể tương tác (trực tiếp hoặc gián tiếp) với gen kháng thì trong trường hợp không có gen kháng, các gen Avr này vẫn có một số chức năng có lợi cho tác nhân gây bệnh. Ví dụ trên cây cà chua thiếu gen kháng Pto thì gen AvrPto sẽ tạo điều kiện cho sự gây bệnh của vi khuẩn bằng cách ức chế sự phòng thủ vách tế bào cây (thí nghiệm trên cây Arabidopsis). Các nghiên cứu đối với nấm Phytophthora infestans, Puccinia graminis cho thấy, ngay sau khi áp lực chọn lọc bởi gen kháng R của ký chủ bị mất thì các gen Avr tái xuất hiện.
5. Gen kháng R và protein R
Như đã biết, nhiều loại tác nhân gây bệnh có thể tiếp xúc với cây nhưng nhìn chung cây có thể kháng lại tốt với phần lớn tác nhân gây bệnh. Thậm chí tác nhân có thể tấn công và gây bệnh thì cây vẫn có thể biểu hiện tính kháng với các mức độ khác nhau. Cho tới nay, rất nhiều gen kháng R của cây đã được xác định. Các gen kháng 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
Phân loại protein kháng R. Hiện nay, các protein kháng R được chia thành 5 lớp dựa
trên đặc điểm cấu trúc và vị trí hoạt động của chúng trong tế bào ký chủ. Các protein trong cùng lớp nhìn chung khá bảo thủ.
5.1. Pto
Lớp protein thứ nhất chỉ gồm 1 thành viên là Pto phân lập từ cà chua. Pto có 1 vùng có hoạt tính xúc tác kinase. Pto là gen kháng hoạt động trong tế bào chất. Pto là protein kháng chống vi khuẩn P. syringae pv. tomato mang gen AvrPto. Pto có hoạt tính kinase điều khiển dẫn truyền tín hiệu trong tế bào chất dẫn tới phản ứng siêu nhạy.
5.2. CNL (CC-NB-LRR)
Lớp protein kháng thứ hai gồm một số lượng lớn protein có cấu trúc gồm (1) một vùng khóa kéo leucine (leucine-zipper – LZ) hoặc một chuỗi xoắn kép (coiled-coil – CC) ở đầu amin; (2) một vùng có khả năng liên kết nucleotide (nucleotide binding – NB) ở vùng trung tâm; và (3) một vùng lặp giàu leucine (leucine-rich repeats - LRR) phía đầu carboxyl. Các protein của lớp này hoạt động trong tế bào chất. Các ví dụ về protein lớp CNL trình bày ở Bảng 2.
5.3. TNL (TIR-NB-LRR)
Lớp protein kháng thứ ba là lớp có số lượng lớn nhất và chỉ có ở cây 2 lá mầm. Về cấu trúc, lớp protein TNL tương tự lớp CNL nhưng thay vì chuỗi CC là một chuỗi TIR. Chuỗi TIR là một vùng protein tương đồng với receptor Toll (của ruồi dấm) và receptor Interleukin-1 (của người) (TIR = Toll/Interleukin-1 Receptor). Tương tự protein kháng lớp CNL, các 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 phân tử được bảo vệ - guardee (xem phần 1.5) hoặc với các phân tử phía hạ lưu của đường hướng dẫn truyền tính kháng. Phần trung tâm là vùng NBS có khả năng liên kết và thủy phân ATP và do đó chịu trách nhiệm khởi động đường hướng dẫn truyền tín hiệu. Ở đầu carboxyl, chuỗi LRR chịu trách nhiệm qui định tính đặc hiệu đối với elicitor mặc dù phần lớn là gián tiếp.
5.4. Cf
Lớp protein kháng thứ tư là một số các protein Cf phân lập từ cà chua như Cf2, Cf4, Cf5, Cf9 qui định tính kháng với nấm Cladosporium fulvum mang các gen Avr tương ứng là AvrCf2, AvrCf4, AvrCf5, AvrCf9. Các protein này thiếu vùng NB; không có hoạt tính kinase. Các prtein nhóm này là các protein xuyên màng với vùng LRR nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào).
5.5. Xa21
Lớp protein kháng thứ 5 chỉ có protein Xa21 phân lập từ lúa. Protein Xa21 là một protein xuyên màng, có một vùng LRR nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào) và một vùng kinase nằm bên trong tế bào chất.
Một số protein R không thuộc 5 lớp trên gồm:
Hml là một enzyme khử độc và kháng nấm Cochlibolus trên ngô.
Mlo là một protein màng tế bào lúa miến (barley) mà các đột 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.
6. Tương tác giữa protein R và Avr
6.1. 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 tiếp giữa protein R và Avr protein. Sự tương tác này được gọi là mô hình Elicitor – Receptor, trong đó elicitor là các protein Avr đóng vai trò là chất kích hoạt còn receptor các protein kháng đóng vai trò là chất tiếp nhận. Phản ứng kháng hình thành chỉ khi có sự tương tác trực tiếp giữa elicitor và receptor. Hiện nay, sự tương tác trực tiếp giữa 2 thành phần này mới chỉ được chứng minh là đúng trên một số ít trường hợp, tất cả đều liên quan đến các protein kháng lớp TIR/CC-NBS- LRR. Dưới đây là các trường hợp có tương tác trực tiếp.
2. Tương tác giữa AvrL567 (của nấm M. lini) và các protein L5, L6, L7 (họ các protein kháng thuộc locus L của cây lanh)
3. 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, cây trồng có thể nhận biết được một số lượng lớn các effector của tác nhân gây bệnh
6.2. Tương tác gián tiếp – mô hình bảo vệ (Guard model)
Sự tương tác giữa gen kháng R và Avr để dẫn tới phản ứng kháng gần đây đã được chứng minh chủ yếu thực hiện theo cách gián tiếp gọi là “mô hình bảo vệ”. Theo mô hình 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 không phát hiện 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 được chứng minh bằng thực nghiệm trên nhiều trường hợp. Dưới đây là một số ví dụ:
1. AvrPphB của vi khuẩn P. syringae và protein kháng RPS5 của cây Arabidopsis. AvrPphB là một protease nhóm cystein. Sau khi được vi khuẩn đưa vào trong tế bào cây, AvrPphB sẽ cắt một phân tử protein kinase của ký chủ là PBS1. Protein kháng RPS5 sẽ nhận biết được việc cắt này và khởi động phản ứng kháng.
2. AvrRpm1 (hoặc AvrB) của vi khuẩn P. syringae và protein kháng RPM1 của cây Arabidopsis. Khi được đưa vào trong tế bào, AvrRpm1 (hoặc AvrB) sẽ phosphoryl hóa một protein của ký chủ là RIN4. Protein kháng RPM1 giám sát hiện trạng của RIN4 và do đó nhận biết sự phosphoryl hóa của RIN4 và khởi động phản ứng phòng thủ.
7. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen R
7.1. Sự đa dang trong quần thể tác nhân gây bệnh
Một loài tác nhân tác nhân gây bệnh tồn tại trong hệ sinh thái nông nghiệp cũng như hệ sinh thái tự nhiên rất không đồng nhất về mặt di truyền (đa dạng về mặt di truyền).
Cơ chế tạo ra tính đa dạng của tác nhân gây bệnh
Cơ chế tạo ra tính đa dạng di truyền của tác nhân gây bệnh khá phong phú, phụ thuộc đặc điểm của từng nhóm. Một cơ chế chung cho tất cả các nhóm tác nhân gây bệnh là đột biến. Ngoài ra, mỗi nhóm tác nhân gây bệnh còn có một số cơ chế riêng biệt sau.
7.1.1.Nấm - Sinh sản hữu tính
Nấm và vi sinh vật giống nấm gây bệnh cây được phân loại thành các ngành (Division) khác nhau trên cơ sở sinh sản hữu tính, ví dụ N gành Nấm Trứng (Oomycota) (ví dụ như
Phytophthora) sinh sản hữu tính tạo bào tử trứng (oospore); Ngành Nấm Đảm (Basidiomycota) (ví dụ như các loại nấm gỉ sắt) sinh sản hữu tính tạo bào tử đảm (basidiospore); Ngành Nấm Túi (Ascomycota) (ví dụ như nấm đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae) sinh sản hữu tính tạo bào tử túi (ascospore).
Trong quá trình sinh sản hữu tính, nấm có thể trao đổi vật liệu di truyền thông qua tái
tổ hợp dẫn tới kiểu hình (kể cả các tính trạng kháng bệnh) của con cháu khác với bố mẹ.
Nấm sinh sản hữu tính nhờ sự tương hợp hữu tính (sexual compatibility) và được điều khiển bởi các gen qui định kiểu ghép cặp (mating type) khác nhau. Nếu sự sinh sản hữu tính được thực hiện từ 2 cá thể khác nhau thì nấm được gọi là loài dị tản (heterothallic). Ví dụ nấm
Phytophthora infestans là một loài dị tản, có 2 kiểu ghép cặp ký hiệu là A1 và A2. Chỉ khi 2 mẫu nấm P. infestans độc lập (dị tản) có kiểu ghép cặp khác nhau mới có thể sinh sản hữu tính. Nếu sự sinh sản hữu tính được thực hiện từ cùng một cá thể (tự thụ) thì nấm được gọi là loài đồng tản (homothallic). Chú ý sinh sản hữu tính đồng tản không được điều khiển bởi gen qui định kiểu ghép cặp và cũng không tạo ra sự đa dạng di truyền.
Sự giao phối chéo (intersterility) khác loài chỉ xảy ra đối với nấm đảm và cũng chỉ xảy ra giữa các loài khá đồng nhất về di truyền. Sinh sản cận tính (parasexuality), thường được định nghĩa chính thức là một hình thức sinh sản hữu tính trong loài, nhưng cũng có thể xảy ra giữa các loài có quan hệ gần gũi như đã được chứng minh đối với một số loài nấm trứng như Phytophthora. Chú ý trong sinh sản cận tính khác loài, có sự trao đổi và tái tổ hợp vật liệu di truyền nhưng không có phân bào giảm nhiễm (meiosis). Nhiều loài nấm Phytophthora thường phát hiện thấy cùng gây bệnh trên một cây và việc giao phối cận tính có thể xảy ra, nhưng con lai thường bất dục. vi dụ chỉ khoảng 4-5% con lai giữa P. palmivora và P. cinnamomi có khả năng sinh bào tử trứng.
Sư trao đổi vật liệu di truyền thông qua sinh sản có nghĩa từ thế hệ bố mẹ sang thế hệ con cháu được gọi là chuyển gen theo chiều dọc (vertical gene transfer).
7.1.2.Nấm – chuyển gen theo chiều ngang
Cho tới nay, nhiều bằng chứng cho thấy nấm có khả năng chuyển vật liệu di truyền không thông qua sinh sản giữa các cá thể trong loài và khác loài. Sự di chuyển vật liệu di truyền theo kiểu này được gọi là chuyển gen theo chiều ngang (horizontal gene transfer). Sự chuyển gen theo chiều ngang có thể thực hiện thông qua plasmid (vd plasmid của nấm
Neurospora; chú ý plasmid của nấm thường là dạng sợi thẳng, kích thước khoảng 2-10 kb); virus (ví dụ virus của nấm Rhizoctonia solani)...
7.1.3.Nấm – Đột biến.
Đối với nấm, ngoại trừ nấm đảm, thì giai đoạn vô tính và sinh sản vô tính chiếm ưu thế trong chu kỳ phát triển. Nhiều loài thậm chí giai đoạn hữu tính không xảy ra trong tự nhiên (ví dụ như đối với nấm đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae). Như vậy đột biến là một cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng của nấm.
7.1.4.Vi khuẩn – sinh sản hữu tính
Đối với vi khuẩn, có ít nhất 3 loại sinh sản giống như sinh sản hữu tính tồn tại trong quần thể:
Biến nạp (transformation) : là hình thức chuyển gen trong đó vi khuẩn nhận hấp thụ qua
vách tế bào vật liệu di truyền được giải phóng ra bởi vi khuẩn cho. Sau khi biến nạp, vật liệu di truyền của tế bào chi sẽ được tổng hợp vào bộ gen của tế bào vi khuẩn nhận.
Giao nạp (conjugation): là hình thức chuyển gen giữa 2 tế bào vi khuẩn khác “giới tính” ký
hiệu là F+ và F-. Khi 2 tế bào vi khuẩn tiếp xuc với nhau sẽ hình thành một cầu nối (pilus) và plasmid (hoặc một mảnh genome) của tế bào F+ sẽ chuyển sang tế bào F- qua pilus.
Tải nap (transduction): là hình thức chuyển gen từ tế bào cho sang tế bào nhận thông qua