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
7.1.5.Vi khuẩn – đột biến
Tương tự như nấm, vì vi khuẩn sinh sản vô tính là chủ yếu nên đột biến là cơ chế quan trọng nhất dẫn tới sự đa dạng di truyền của vi khuẩn.
7.1.6.Virus – tái tổ hợp
Một cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng di truyền của virus là tái tổ hợp (recombination). Hiện tượng tái tổ hợp rất phổ biến đối với virus thực vật. Do virus tái sinh trong tế bào chất hoặc nhân của tế bào ký chủ nên tái sinh virus phụ thuộc hoàn toàn vào bộ máy phiên mã và tái sinh của tế bào ký chủ. Nếu tế bào bị nhiễm nhiều loại virus thì các phân tử virus (khác loài hoặc chủng) có thể trao đổi chéo với nhau thông qua tái sinh chẳng hạn các enzyme polymerase của ký chủ sẽ chuyển từ khuôn của phân tử virus này sang virus khác dần tới tạo ra một phân tử lai được hình thành từ 2 khuôn khác nhau. Ví dụ về tái tổ hợp là Tomato yellow leaf curl Vietnam virus (TYLCVNV) chứa một chuỗi khoảng 1000 nts của virus
Tomato leaf curl Vietnam virus (ToLCV) ở phía bên phải của bộ gen. 7.1.7.Virus – đột biến
Đột biến cũng là cơ chế quan trọng dẫn tới sự đa dạng của virus thực vật. Do tốc độ sinh sản rất nhanh, trong quần thể các phân tử virus trên cùng một cây thường tồn tại nhiều đột biến.
7.2. Các yếu tố điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh
Trong di truyền quần thể, nhìn chung, người ta xét 5 lực tiến hóa có ảnh hưởng tới cấu trúc di truyền của quần thể tác nhân gây bệnh. Các lực này là: đột biến, trôi dạt di truyền, dòng gen, hệ thống ghép cặp và chọn lọc tự nhiên. Chúng ta xét 2 yếu tố quan trọng liên quan đến chọn lọc tự nhiên là sự biệt lập địa lý và cây ký chủ.
Rào cản địa lý. Rào cản địa lý là một yếu tố quan trọng điều khiển sự tiến hóa của tác
nhân gây bệnh. Nhiều loài/chủng tác nhân gây bệnh chỉ có mặt ở vùng này mà không có mặt ở vùng khác. Ngoài ra, đặc điểm ngoại cảnh và ký chủ khác biệt nhau giữa các vùng địa lý cũng đóng góp vào yếu tố điều khiển này. Hậu quả của rào cản địa lý là hình thành nên các loài/chủng đặc trưng cho từng vùng địa lý. Ví dụ quần thể vi khuẩn bạc lá của Trung quốc khác Việt Nam dẫn tới nhiều giống lúa lai Trung Quốc, vốn kháng rất tốt bệnh bạc lá tại Trung Quốc, đã không thể kháng được quần thể vi khuẩn bạc lá của Việt Nam.
Cây ký chủ. Đây là một trong các yếu tố chính điều khiển sự tiến hóa của quần thể tác
nhân gây bệnh trong một vùng địa lý xác định. Cây ký chủ và tính kháng của nó có thể tác động đến sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh ở mức loài hoặc dưới loài. Ví dụ,đã có bằng chứng cho thấy 3 loài nấm P. mirabilis, P. ipomoeae, và P. infestans tiến hóa từ một tổ tiên chung và nhiễm trên 3 họ thực vật hoàn toàn khác nhau. Ở mức dưới loài, hậu quả của tương tác giữa tác nhân gây bệnh với các loài/giống cây ký chủ khác nhau đã dẫn tới hình thành các khái niệm chủng sinh lý (race), dạng chuyên hóa (forma specialis, số ít), biovar, pathovar...của tác nhân gây bệnh (chú ý, đây là các khái niệm phân loại không chính thức dưới loài và khác nhau tùy theo đối tượng nghiên cứu). Ví dụ đối với loài nấm Fusarium oxysporum, hàng chục dạng chuyên hóa (formae speciales, số nhiều) được phân biệt trên cơ sở tính gây bệnh héo với các loài ký chủ khác nhau, Vd: Fusarium oxysporum f.sp. asparagi (măng tây); f.sp. cubense
(chuối); f.sp. dianthi (cẩm chướng); f.sp. lycopersici (cà chua); f.sp. niveum (dưa hấu); f.sp.
tracheiphilum (đậu tương). Trong mỗi một dạng chuyên hóa, các tác nhân gây bệnh có thể phân nhóm lại thành các race trên cơ sở tính gây bệnh trên các giống cây khác nhau; ví dụ F. oxysporum f.sp. cubense gây bệnh trên chuối gồm 4 race (1,2,3,4). Tương tự, loài vi khuẩn R.
solanacearum gồm 5 race được phân biệt dựa trên tính gây bệnh trên các cây ký chủ khác nhau.
7.3. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen kháng R
7.3.1.Đồng tiến hóa trong sản xuất nông nghiệp
Trong sản xuất nông nghiệp, người ta thường tạo các giống cây đồng nhất về di truyền, mang tính kháng đặc hiệu chủng. Tuy nhiên, sau một vài năm, tính kháng bị bẻ gẫy. Để duy trì năng suất, người ta lại thay một giống khác mang gen kháng mới và sau một vài năm, tính kháng lại bị mất. Hiện tượng tính kháng bị mất là do trong quần thể tác nhân gây bệnh đã xuất hiện các đột biến tự phát khắc phục được tính kháng.
Việc đưa liên tục các giống kháng mới đã gây ra sự đồng tiến hóa nhân tạo giữa giống kháng đặc hiệu chủng và tác nhân gây bệnh độc đặc hiệu hình thành tự phát. Các lực điều khiển sự đồng tiến hóa này là (i) tốc độ sinh 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:
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 biết đặc hiệu giữa sản phẩm của gen R1 (ký chủ) và Avr1 (ký sinh) đã tạo ra sự kháng bệnh. Bước thứ 2 là sự chọn lọc các cá thể ký sinh mang đột biến tự phát avr1/Avr2/Avrn. Do các cá thể mang đột biến tự phát này mất yếu tố không độc qui định bởi gen Avr1 nên không bị yếu tố kháng qui định bởi gen R1 nhận biết dẫn tới có khả năng gây bệnh trên giống kháng tạo ra ở bước 1. Bước thứ 3, tương tự bước thứ nhất, là tạo ra giống kháng 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 gây bệnh độc trong sản xuất nông nghiệp là cuộc đua không có điểm dừng giữa việc đưa giống kháng mới và sự hình thành – chọn lọc các cá thể độc trong quần thể tác nhân gây bệnh.
Một số điểm chú ý:
Sự hình thành đột biến độc trong quần thể tác nhân gây bệnh không độc ở bước 2 và 4 vốn, về lý thuyết, không thể nhân lên trong quần thể cây kháng là do 1 trong 2 khả năng: (i) đột biến có thể được mang từ nơi khác tới hoặc (ii) đột biến hình thành tại chỗ nếu quần thể tác nhân gây bệnh không độc có thể gây bệnh ở mức độ yếu.
Thời gian tồn tại của giống kháng có thể kéo dài nếu đưa 2 hoặc nhiều gen kháng vào giống kháng. Giống cây càng mang nhiều gen kháng thì cơ hội cho tác nhân gây bệnh không độc có đột biến đồng thời khắc phục tất cả các gen kháng này càng thấp. Tuy nhiên việc tạo giống vừa mang nhiều gen kháng chủ vừa duy trì các tính trạng nông học tốt không dễ dàng. 7.3.2.Đồng tiến hóa trong hệ sinh thái tự nhiên
Trong hệ sinh thái tự nhiên, cơ chế đồng tiến hóa giữa ký sinh-ký chủ cũng tương tự như trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên biểu hiện và hậu quả của sự đồng tiến hóa này có nhiều điểm khác biệt:
Trong hệ sinh thái tự nhiên, tác nhân gây bệnh gây ít thiệt hại hơn nhiều đối với cây so với hệ sinh thái trồng trọt. Các gen kháng đặc hiêu hình thành tự phát trong quần thể cây và sự
bền vững của nó chủ yếu bị ảnh hưởng bởi mức độ đa hình của chính nó cũng như sự cân bằng giữa các đột biến độc/không đôc trong quần thể tác nhân gây bệnh. Các yếu tố này thường dẫn
tới trạng thái cân bằng về tính kháng của ký chủ và và tính gây bệnh của ký sinh. Trạng thái
cân bằng này đảm bảo sự tồn tại của cả cây và tác nhân gây bệnh.
Trạng thái cân bằng giữa ký sinh – ký chủ trong hệ sinh thái tự nhiên có được là do quần thể tác nhân gây bệnh cũng như cây không có kiểu gen đồng nhất trên môt diện tích lớn. Trên