Phản ứng phòng thủ tạo được của cây điều khiển bởi một mạng lưới các đường hướng dẫn truyền tín hiệu chồng chéo lên nhau. Nhiều phân tử tham gia các đường hướng dẫn truyền tín hiệu.
6.1. Đường hướng salicyclic acid (SA)
Salicyclic acid (SA) là một phytohormon, có vai trò quan trọng trong phát triển, quang hợp, hô hấp… của thực vật.
SA cũng là một phân tử tín hiệu nội sinh tham gia cảm ứng tính kháng tạo được của thực vât. Vai trò của SA trong dẫn truyền tính kháng đã được chứng minh trong một số thí nghiệm: • Xử lý SA trên cây thuốc lá đã dẫn tới giảm triệu chứng bị nhiễm bởi TMV và tích lũy
nhiều PR protein (thí nghiệm của White, 1970).
• Lây nhiễm TMV trên thuốc lá dẫn tới hàm lượng SA tăng cục bộ (tại vị trí lây nhiễm) và hệ thống (toàn cây).
• Cây Arabidopsis chuyển gen NahG (naphthalene hydroxylase G) của vi khuẩn Pseudomonas putida (là gen mã hóa salicylate hydroxylase, một enzyme chuyển SA thành dạng bất hoạt là catechol) đã biểu hiện tính mẫn cảm cao đối với nhiều loại tác nhân gây bệnh khác nhau như nấm, vi khuẩn và virus.
• Cây chứa các đột biến mất khả năng tích lũy SA như eds4, eds5 (enhanced disease susceptibility), sid1, sid2 (SA induction-deficient), pad4 (phytoalexin-deficient) biểu hiện tính mẫn cảm cao với tác nhân gây bệnh.
SA tương tác với catalase – là một enzyme xúc tác cho sự phân hủy H2O2 thành H2O và O2. H2O2 là phân tử hoạt động phía thượng lưu của quá trình dẫn truyền tín hiệu. Phía hạ lưu của đường hướng dẫn truyền tín hiệu (phía sau SA) là một protein gọi là NPR1 (non-expressor of PR1 protein) cần cho dẫn truyền SA. Sản phẩm cuối cùng của đường hướng dẫn truyền SA là các loại PR protein (xem bài 3), trong đó quan trọng nhất là protein nhóm PR1.
Đường hướng dẫn truyền SA thường do các tác nhân gây bệnh nhóm biotroph gây ra (bài 3). Nhìn chung các tác nhân gây bệnh này sinh trưởng trong gian bào và nhân lên trong mô nhiều ngày trướ khi gây chết hoại mô.
6.2. Đường hướng dẫn truyền JA và ET
Jasmonic acid (JA) và ethylen (ET) cũng là các phytohormon. Cả JA và ET đã được chứng minh có vai trò trong tính kháng bệnh như trong các ví dụ sau:
• Cây Arabidopsis mang đột biến mất khả năng hình thành JA như fad3/fad7/fad8 (3 đột biến gen fatty acid desaturase) hoặc mất khả năng tiếp nhận JA như coi1 (coronatine insensitive1) hoặc kháng JA như jar1 (jasmonic acid resistant1) biểu hiện tính mẫn cảm dối với một loạt tác nhân gây bệnh như nấm Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea, Pythium, vi khuẩn Erwinia carotovora.
• Cây Arabidopsis mang đột biến trơ với ET như ein2 (ethylene insensitive2) biểu hiện tính mẫn cảm với nấm B. cinerea và vi khuẩn E. carotovora.
• Xử lý JA hoặc ET đã dẫn đến là cây biểu hiên gen PDF1-2 (mã hóa protein phòng thủ là defensin) và Thi2-1 (mã hóa protein phòng thủ là thionin), hel (hevein-like protein) và chib (chitinaseB). Các gen này được xem là dấu hiệu phổ biến của đường hướng dẫn truyền JA/ET.
Đường hướng JA/ET có nhiều điểm khác với đường hướng SA: (1) JA/ET hình thành chủ yếu do nhóm necrotroph như nấm Alternaria brassicicola, Botrytis cinerea, Pythium, vi khuẩn Erwinia carotovora. Các tác nhân này giêt chết nhanh chóng tế bào cây để hấp thu dinh dưỡng (xem bài 2); (2) sự tích lũy JA và ET có thể hình thành do tác nhân gây bệnh, nhưng cũng có thể hình thành từ các tổn thương do côn trùng .
6.3. Giao tiếp chéo (cross talk) giữa đường hướng SA và JA/ET.
Đã có nhiều bằng chứng cho thấy 2 đường hướng SA và JA/ET không hoàn toàn độc lập với nhau mà có tương tác với nhau. Cả 2 đường hướng đều có ảnh hưởng thuận và nghịch nhưng nhìn chung, mối quan hệ nghịch (đối kháng) là phổ biến. Ví dụ cây Arabidopsis mang gen kháng eds1 và pad4 (giảm tích lũy SA) đã làm tăng khả năng biểu hiện của đường hướng JA/ET.
Quan hệ đối kháng này cần được xem xét khi ứng dụng thực tế vì khi tạo SAR để chống bệnh theo đường hướng SA thì SAR theo đường hướng JA/ET có thể bị ức chế dẫn tới cây dễ bị nhiễm côn trùng gây hại.
6.4. Dòng thác ion và sự đốt cháy oxy hóa
Trên màng tế bào ký chủ có các receptor ngoại bào (ví dụ như FLS2). Ngay sau khi cây ký chủ nhận biết được sự có mặt của tác nhân gây bệnh tại màng tế bào, có sự thay đổi về dòng ion đi vào/ra tế bào qua kênh ion dẫn tới thay đổi cân bằng K+/H+ của màng (dòng Ca2+ và H+
vào tế bào tăng, dòng K+ và Cl- ra khỏi tế bào tăng). Phản ứng lại sự thay đổi này là sự hoạt hóa các protein liên kết màng như kinase, phosphatase, phospholipase và protein G. Các kinase sẽ hoạt hóa NADPH oxidase để chuyển O2 thành các lớp oxy hoạt hóa (ROS= reactive oxygen classes) như H2O2, O2-, HO2. Ngoài ra, các kinase cũng hoạt hóa nitric oxydase để tổng hợp nitric oxide (NO) khi sử dụng năng lượng từ NADPH.
Các lớp oxy hóa khử (đặc biệt là H2O2) và NO sẽ ảnh hưởng đến tính kháng bằng 2 cách: • ROS, đặc biệt là H2O2, sẽ hoạt động trên màng/vách. ROS có thể cảm ứng quá trình lignin
hóa vách tế bào hoặc liên kết các hợp chất của vách tế bào (crosslinking). ROS cũng có thể oxy hóa các hợp chất đặc biệt là lipid của màng tế bào, ví dụ tạo thành các lipid hdroperoxide là các chất độc đối với tế bào. ROS cũng có thể oxy hóa các hợp chất phenolic thành các chất quinon độc với tế bào. Hậu quả là tế bào bị chết nhanh chóng (phản ứng siêu nhạy HR). Cần chú ý trong quá trình cảm ứng phản ứng siêu nhạy này có vai trò của NO. Người ta đã chứng minh rằng sự cân bàng NO/ H2O2 là cần thiết để cảm ứng phản ứng siêu nhạy.
• H2O2 và NO tham gia dẫn truyền tín hiệu cho các đường hướng dẫn truyền tín hiệu hoặc phòng thủ khác. Ví dụ H2O2 có thể cảm ứng đường hướng MAPK (xem phần đường hướng MAPKi) hoặc cảm ứng để tổng hợp phenylalanin ammonia lyase (PLA), một enzyme cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp SA (xem phần đường hướng SA).
6.5. Đường hướng MAPK (Mitogen Activated Protein Kinases)
Đường hướng MAPK là đường hướng dẫn truyền chủ chốt đối với tính kháng bệnh. Đây là một đường hướng chung đối với sinh vật nhân thật và là một cách dẫn truyền các tín hiệu ngoại bào thông qua các receptor bề mặt. Đường hướng MAPK dựa vào sự nhận biết thông qua PAMP/MAMP (xem định nghĩa PAMP/MAMP bài 1).
Sự nhận biết giữa receoptor của ký chủ và PAMP/MAMP của vi sinh vật (Vd: flg22, HrpZ, EF-Tu của vi khuẩn, Pep 13, NPP1, glucan của nấm trứng, chitin và ergosterol của nấm thật) dẫn tới một dòng thác dẫn truyền tín hiệu trong tế bào gọi là đường hướng dẫn truyền MAPK (Mitogen Activated Protein Kinases). MAPK là một protein kinase đặc hiệu serin/threonin có nghĩa nó sẽ phosphorin hóa nhóm OH của serin hoặc threonin. Một dòng thác MAPK nhìn chung là chuỗi MAPKKK=>MAPKK=>MAPK cho phép truyền các dấu hiệu ngoại bào thông qua receptor thành một loạt các phản ứng nội bào. Ví dụ bộ gen của Arabidopsis mã hóa ít nhất 20 MAPKs. Sự hoạt hóa dòng thác MPK sẽ kích hoạt yếu tố phiên mã WRKY trong nhân tế bào và dẫn tới kích hoạt quá trình phiên mã của nhiều gen phòng thủ (WRKY là một họ protein có khả năng liên kết với promoter của các gen kháng).
Ví dụ đường hướng MAPK.
Flagellin là một loại PAMP chung được nghiên cứu nhiều nhất trong số các PAM/MAMP của vi khuẩn hại thực vật. Flagellin là protein cấu trúc của lông roi vi khuẩn. Flagellin chứa một đoạn 22 amino acid bảo thủ gọi là fgl22. Fgl22 có thể được nhận biết bởi một receptor của tế bào thực vật là FLS2. FLS2 là một receptor kinase xuyên màng với đoạn lặp giàu leucin (LRR) nằm phía ngoài màng tế bào (chịu trách nhiệm nhận biết) và một vùng có hoạt tính kinase nằm trong tế bào chất.
Ngay sau khi FLS2 nhận biết sự có mặt của fgl22, vùng kinase của nó sẽ khởi động đường hướng MAPK bằng cách hoạt hóa các kinase của tế bào là AtMEKK1 => AtMKK4/5 => AtMPK3/6, dẫn tới khởi động các yếu tố phiên mã hoạt động trong trong nhân (Vd như yếu tố WRKY) và cuối cùng tổng hợp các hợp chất tạo ra tính kháng (vd như các PR protein).
CHƯƠNG 6. TÍNH KHÁNG TẬP NHIỄM HỆ THỐNG