PHẦN 2: MIỄN DỊCH HỌC THỰC VẬT
5.3.2. Phòng thủ chủ động
Cđy phản ứng lại sự tấn công của tâc nhđn gđy bệnh bằng câch hình thănh 4 loại cấu trúc phòng thủ đặc biệt: (1) cấu trúc hình thănh liín quan đến tế băo chất của tế băo bị tấn công vă được gọi lă phản ứng phòng thủ tế băo chất; (2) cấu trúc liín quan đến vâch tế băo bị xđm nhập vă được gọi lă cấu trúc phòng thủ vâch tế băo; (3) cấu trúc liín quan đến mô cđy phía trước tâc nhđn gđy bệnh (sđu hơn về phía cđy) vă được gọi lă cấu trúc phòng thủ mô; vă (4) mô bị chết nhanh chóng nhằm ngăn chặn sự phât triển của bệnh được gọi lă phản ứng siíu nhạy.
* Phản ứng phòng thủ tế băo chất
Trong một văi trường hợp đối với câc tâc nhđn ký sinh yếu, chẳng hạn môt số chủng nấm Armillaria gđy bệnh cđy thđn gỗ thì tế băo chất của tế băo ký chủ bao quanh cụm sợi nấm, nhđn bị kĩo căng vă vỡ lăm đôi. Trong một số trường hợp khâc, tế băo chất của tế băo kí chủ trở nín đậm đặc, kết hạt. Sợi nấm cuối cùng bị phđn hủy.
Hình thănh cấu trúc phòng thủ vâch tế băo
Vâch tế băo có thể biến đổi về hình thâi để phản ứng lại sự xđm nhiễm của tâc nhđn gđy bệnh, mặc dù kiểu phản ứng năy tương đối kĩm hiệu quả. Có 4 loại biến đổi chính: (1) Lớp ngoăi của vâch tế băo nhu mô đang tiếp xúc với vi khuẩn gđy bệnh sẽ phồng lín vă tạo ra câc vật liệu dạng sợi, vô định hình; câc vật liệu năy sẽ bao quanh vi khuẩn vă ngăn cản sự nhđn lín của vi khuẩn. (2) Vâch tế băo hóa dăy nhờ một chất có bản chất cellulose. Cấu trúc năy thường liín kết với câc hợp chất phenolic vă ngăn cản sự xđm nhập của tâc nhđn gđy bệnh. (3) Vâch tế băo bị lignin hóa nhằm tăng cường chống sự xđm nhập của nấm tạo vòi âp; ngoăi ra, sự lignin hóa cũng khâng nước do đó giảm hoạt tính của câc enzyme phđn hủy vâch tế băo. (4) Hình thănh câc núm cấu tạo bởi callose (callose papillae; callose lă 1 polysaccharide thực vật, cấu tạo bởi glucose, hình thănh bởi callose synthases ở vâch tế băo vă bị phđn hủy bởi glucanases). Câc núm năy hình thănh văi phút sau khi tế băo bị tổn thương vă khoảng 2 – 3 giờ sau khi lđy nhiễm tâc nhđn gđy bệnh. Mặc dù chức năng chính của núm callose lă sửa chữa câc tổn thương vâch tế băo thì trong một số trường hợp, núm cũng có tâc dụng ngăn cản sự xđm nhập của tâc nhđn gđy bệnh. Trong một số trường hợp, câc hợp chất callose bao quanh đỉnh sợi nấm xđm nhập, liín kết với câc hợp chất phenolic vă hình thănh một ống bao quanh sợi nấm.
Hình 5.12: Cấu trúc phòng thủ vâch tế băo (Agrios, 2005)
* Hình thănh cấu trúc phòng thủ mô
(1) Hình thănh lớp bần (cork layer): Sự xđm nhiễm của nấm, vi khuẩn, một số virus vă tuyến trùng thường kích thích sự hình câc lớp bần phía trước điểm xđm nhiễm. Bần lă mô vỏ (thđn, rễ) cấu tạo chủ yếu bởi suberin. Câc lớp bần ngăn cản tâc nhđn gđy bệnh phât triển xa hơn, ngăn cản câc độc tố của tâc nhđn gđy bệnh khuyếch tân ra phần mô khỏe vă ngăn cản sự vận chuyển nước vă dinh dưỡng từ phần mô khỏe văo mô nhiễm bệnh. Mô bị chết hoại, cùng với tâc nhđn gđy bệnh, bị giới hạn bởi câc lớp bần, có thể vẫn ở nguyín vị trí vă tạo ra câc vết bệnh kiểu vết đốm mă hình dạng, mău sắc vă kích thước phụ thuộc văo tổ hợp ký sinh – ký chủ. Đối với một số bệnh, phần mô chết hoại có thể bị mô khỏe phía dưới đẩy lín tạo thănh câc vết ghẻ hoặc vết vẩy vă do đó loại bỏ hoăn toăn tâc nhđn gđy bệnh.
Hình 5.13: Phòng thủ nhờ hình thănh lớp bần (Agrios, 2005)
(2) Hình thănh tầng rời (abscission layer). Phiến giữa của 2 lớp tế băo bao xung quanh vết bệnh tâch khỏi nhau tạo thănh một lớp trống gọi lă tầng rời. Sự hình thănh tầng rời sẽ cô lập phần mô bệnh vă thông thường mô bệnh sẽ tâch khỏi mô khỏe tạo ra câc lỗ thủng. Sự hình thănh tầng rời rất hay bắt gặp trín câc lâ non đang phât triển của cđy quả hạch.
Hình 5.14: Phòng thủ bằng câch tạo tầng rời (Agdios, 2005)
(3) Hình thănh tylos:. Tyloses hình thănh trong mạch xylem của hầu hết cđy bị strees hoặc bị tâc nhđn gđy bệnh hại mạch dẫn tấn công. Tylose lă sự sinh trưởng quâ mức của protoplasm của tế băo nhu mô bao quanh tế băo xylem vă nhô văo trong mạch xylem. Tylose có vâch bằng cellulose vă do kích thước cũng như số lượng nhiều của nó trong mạch xylem dẫn tới bịt kín mạch xylem ngăn không cho tâc nhđn gđy bệnh phât triển tiếp. Ở một số giống khâng, tylose hình thănh rất nhiều vă nhanh ngay phía trước đường tiến của tâc nhđn gđy bệnh ngay trong rễ non vă do đó ngăn không cho tâc nhđn gđy bệnh phât triển tiếp.
Hình5.15: Phòng thủ bằng hình thănh tylose. A la tiết diện dọc vă B lă tiết diện ngang của mạch xylem (Agrios, 2005)
(4) Hình thănh gôm: Nhiều loăi cđy, đặc biệt lă câc cđy quả hạch, hình thănh gôm ở xung quanh vị trí xđm nhiễm vă tạo ra một răo cản không thể vượt qua đối với tâc nhđn gđy bệnh.
5.3.2.2. Phòng thủ chủ động sinh hóa
*Phytoalexin
Lịch sử. Năm 1940, Muller vă Borger đê công bố nghiín cứu trong đó củ khoai tđy
gđy bệnh) sẽ tạo tính khâng đối với chủng P. infestans tương thích hoặc 1 chủng nấm
Fusarium gđy bệnh trín củ. Tiếp theo, trong vòng 15 năm, Muller đê lăm câc thí nghiệm vă
quan sât thấy hiện tượng tương tự trín đậu Hă Lan vă đê phđn lập được câc hợp chất có hoạt tính khâng nấm mă ông gọi lă phytoalexin.
Định nghĩa: Phytoalexin lă câc hợp chất có trong lượng phđn tử thấp, có tính khâng vi
sinh vật, được tạo ra bởi cđy do hậu quả của sự nhiễm bệnh hoặc câc street sinh học.
Đặc điểm:
Phytoalexin được tạo ra trín câc tế băo khỏe xung quanh, nhằm phản ứng với câc chất khuyếch tân ra từ câc tế băo bị xđm nhiễm hoặc tổn thương. Sự hình thănh vă tích lũy phytoalexin mang tính cục bộ (có nghĩa phytoalexin không lưu dẫn xa khỏi vị trí xđm nhiễm hoặc tổn thương) vă xảy ra khâ nhanh (khoảng văi giờ tới tối đa 2 ngăy sau lđy nhiễm).
Câc nguồn kích thích hình thănh phytoalexin: Câc chất kích thích cđy hình thănh
phytoalexin được gọi lă câc elicitor. Số lượng vă nguồn gốc elicitor rất đa dạng. Nấm, vi khuẩn, virus, tuyến trùng (đặc biệt lă nấm) lă câc nhóm tâc nhđn gđy bệnh cđy được biết tạo ra câc elicitor cảm ứng hình thănh phytoalexin. Phần lớn câc chất elicitor lă câc hợp chất cao phđn tử như câc chất cấu tạo vâch tế băo nấm (glucan, chitosan, glycoprotein vă polysaccharide; câc chất năy được giải phóng ra từ vâch tế băo nấm nhờ enzyme của tế băo ký chủ). Phần lớn elicitor lă không đặc hiệu có nghĩa chúng có mặt trín câc chủng tâc nhđn gđy bệnh khâc nhau vă kích thích tạo phytoalexin trín cả giống nhiễm vă giống mẫn cảm. Mặc dù phần lớn elicitor có nguồn gốc từ tâc nhđn gđy bệnh thì một số hợp chất lại có nguồn gốc từ tế băo cđy. Ví dụ enzyme của tâc nhđn gđy bệnh phđn hủy galacturonic acid, một chất cấu tạo nín vâch tế băo cđy, thănh câc oligomer có hoạt tính kích thích tế băo cđy tạo phytoalexin.
Phytoalexin hình thănh vă tích lũy trín mô của cả giống nhiễm vă giống khâng. Khi phytoalexin tích lũy tới một nồng độ năo đó sẽ ức chế sự phât triển của vi sinh vật . (thường lă nấm). Câc loăi/chủng nấm có tính gđy bệnh có xu hướng kích thích hình thănh phytoalexin với nồng độ thấp hơn so với câc loăi/chủng không có tính gđy bệnh. Ngoăi ra, câc loăi/chủng nấm có tính gđy bệnh cũng dường như kĩm mẫn cảm với tính độc của phytoalexin hơn so với câc loăi/chủng nấm có tính gđy bệnh.
Phytoalexin rất đa dạng về số lượng vă cấu trúc. Khoảng 350 chất có tính chất giống phytoalexin đê được phât hiện từ khoảng 30 họ thực vật; trong đó khoảng 150 chất được phđn lập trín cđy họ đậu (Leguminosae). Phần lớn phytoalexin được phđn lập trín cđy 2 lâ mầm, một số được phđn lập trín cđy một lâ mầm. Cấu trúc hóa học của phytoalexin được phđn lập từ một họ cđy thường khâ giống nhau. Câc phytoalexin nhóm phenylpropanoid phổ biến trong nhiều họ thực vật như Leguminosae, Solanaceae, Convolvulaceae, Umbelliferae vă
Gramineae; câc phytoalexin nhóm isoflavonoid phổ biến trong họ Leguminosae; nhóm
sesquiterpenoid phổ biến trong họ că (Solanaceae).
Một số phytoalexin được nghiín cứu nhiều lă pisatin (trín đậu Hă Lan), glyceolin (trín đậu tương, cỏ 3 lâ, cỏ alfafa), rhisitin (khoai tđy); capsidiol (ớt); cammaxin (Arabidopsis).
* Câc hợp chất phenolic
Câc hợp chất phenolic đơn giản: Một số hợp chất phenolic phổ biến thường hình
thănh vă tích lũy với tốc độ nhanh hơn trín cđy bị bệnh, đặc biệt trín câc giống khâng. Một số câc hợp chất phenolic phổ biến lă chlorogenic acid, caffeic acid, ferulic acid. Ví dụ quả đăo xanh vă quả đăo trín giống khâng hình thănh nhiều chlorogenic acid khi bị nhiễm nấm
Monilinia fructicola. Hợp chất phenolic năy ngoăi gđy độc trực tiếp đối với nấm thì quan
trọng hơn còn ức chế câc enzyme của nấm dùng để phđn hủy mô ký chủ.
Câc hợp chất phenolic độc hình thănh từ câc hợp chất phenolic không độc: Nhiều cđy
chứa câc chất glycoside (ví dụ như đường glucose) liín kết với câc phđn tử phenolic. Ở trạng thâi liín kết, câc hợp chất năy không độc. Một số loại nấm vă vi khuẩn có thể hình thănh hoặc kích thích mô cđy hình thănh câc enzyme glycosidase thủy phđn câc hợp chất trín vă giả phóng câc hợp chất phenolic độc.
Vai trò của câc enzyme oxy hóa câc hợp chất phenolic: Nhiều hợp chất phenol trong
cđy có độc tính thấp đối với tâc nhđn gđy bệnh. Trong nhiều trường hợp, trong mô nhiễm bệnh của câc giống khâng bệnh, hoạt tính của câc enzyme oxy hóa phenol (Ví dụ polyphenol oxydase) nhìn chung được tăng cường. Câc enzyme năy sẽ oxy hóa câc hợp chất phenolic thănh câc hợp chất quinone có tính độc mạnh hơn. Một cơ chế khâc: Trong quả xanh thường chứa dien (lă câc hợp chất hydrocarbon có chứa 2 liín kết kĩp), có tính độc cao đối với tâc nhđn gđy bệnh. Khi quả chín, lượng lipoxygenase cũng gia tăng dẫn tới dien bị bẻ gẫy dẫn tới lăm mất tính khâng của quả chín. Ở một số loại quả, elicitor từ nấm không gđy bệnh đê kích thích hình thănh một hợp chất phenolic lă epicatechin. Epicatechin ức chế enzyme lipoxygenase dẫn tới lượng dien không bị giảm vă quả chín vẫn có thể khâng được sự xđm nhiễm của nấm (đặc biệt lă nấm thân thư).
* PR protein (pathogenesis-related protein)
Định nghĩa: Protein liín quan đến sự gđy bệnh (PR protein) lă câc protein được cđy tạo ra do sự gđy bệnh bởi câc tâc nhđn gđy bệnh chủ yếu thuộc câc nhóm nấm vi khuẩn,
virus, tuyến trùng. Ngoăi ra sự tấn công của côn trùng cũng kích thích cđy tạo ra PR protein. Hiện có khoảng 17 nhóm (còn được gọi lă họ) PR protein khâc nhau, được ký hiệu từ PR1 đến PR17 (theo thứ tự được phât hiện). Nhiều nhóm có hoạt tính khâng nấm. Dưới đđy lă đặc điểm của một số nhóm quan trọng nhất :
PR-1. Lă nhóm protein có số lượng nhiều nhất; thường hình thănh trong cđy với hăm
lượng rất cao sau khi bị nhiễm bệnh (có thể đạt tới 1-2% tổng lượng protein của lâ). Protein của nhóm năy đê được phât hiện thấy trín tất cả câc loại cđy được kiểm tra. Câc protein có chức năng tương tự PR-1 cũng được phât hiện thấy ở nhiều sinh vđt khâc như nấm, côn trùng, động vật có xương sống (kể cả người). Mặc dù chức năng sinh học vă cơ chế hoạt động của nhóm năy chưa rõ nhưng câc protein PR-1 có hoạt tính khâng nấm cả invitro vă invivo. Câc protein PR-1 có thể chia thănh 2 nhóm hoặc kiềm hoặc acid. Trín thuốc lâ, có ít nhất 16 protein PR-1 đê được khâm phâ, trong đó 3 protein loại acid (PR-1a, -1b,-1c) vă 1 protein (PR-1g) hình thănh khi cđy bị nhiễm Tobacco mosaic virus. Trín lúa có 23 gen mê hóa protein PR-1. Trín ớt, sự biểu hiện của gen PR-1 loại kiềm được cảm ứng bởi TMV đê tạo tính khâng đối với tolerance to P. parasitica var. nicotianae, Ralstonia solanacearum vă P.
syringae pv. tabaci.
PR-2. (β-1,3- glucanase): Lă nhóm protein có mặt trong nhiều loăi cđy, động vật vă vi
sinh vật. Glucanase có thể chia thănh 3 nhóm: nhóm I lă câc glucanase có tính kiềm hình thănh ở không băo; nhóm II vă III có tính acid vă lă câc protein ngoại băo. Glucanase thuộc nhóm I có hoạt tính khâng nấm cả invitro vă invivo. Glucanase thuộc nhóm II vă III chỉ có hoạt tính khâng nấm nếu phối hợp với glucanase nhóm I hoặc chitinase. Đặc tính khâng nấm của glucanase lă khả năng phđn hủy vâch tế băo của nấm (cấu tạo bởi glucan).
PR-3 (chitinase lớp I, II, IV, VI, VII), PR-8 (chitinase lớp III) vă PR-11 (chitinase lớp
V). Câc chitinase lă loại protein chiếm số lượng lớn thứ 2 trong câc PR protein. Câc chitinase thực vật được chia lăm 7 lớp (I, II....VI) căn cứ văo cấu trúc protein, tính đặc hiệu cơ chất, cơ chế xúc tâc vă tính mẫn cảm với câc chất ức chế. 7 lớp năy lại được xếp văo 3 nhóm PR protein. Câc chitinase có hoạt tính khâng nấm bằng câch xúc tâc cho phản ứng thủy phđn để cắt liín kết β-1,4-glycoside của N-acetyl-Dglucosamine (chitin, thănh phần của vâch tế băo nấm). Cần chú ý lă phản ứng thủy phđn năy tạo ra câc oligosacharid có vai trò lă elicitor cho câc phản ứng phòng thủ khâc.
PR-4 (protein liín kết chitin): Hoạt tính khâng nấm của câc protein nhóm PR-4 lădo
khả năng liín kết với chitin của vâch tế băo nấm dẫn tới ức chế sinh trưởng của nấm. Loại PR-4 phổ biến nhất lă legumin vă vicilin (chiếm tới 80% hăm lương protein của hạt đậu). Vicilin đê được chứng minh có khả năng ức chế sinh trưởng vă nảy mầm băo tử của nhiều loại nấm như Fusarium solani, F. oxysporum, Collectotrichum musae, Phytophthora capsici,
Neurospora crassa, Ustilago maydis. Vicilin cũng được biết lă có khả năng khâng cả côn
trùng như một đậu (Callosobruchus maculatus).
PR-5 (Thaumatin-like proteins): Osmotin vă thaumatin-like (TL) protein lă câc protein
phđn lập từ cđy Thaumatococcus danielli. Osmotin vă TL tương tâc với măng tế băo nấm vă hình thănh câc lỗ thủng xuyín măng. Hai loại protein năy cũng có hoạt tính 1,3-glucanase, liín kết với actin. Osmotin trín thuốc lâ kích thích MAPK do đó phâ vỡ 1 đường hướng dẫn truyền tín hiệu (dựa văo MAPK) nhằm tăng cường tính ổn định của vâch tế băo nấm. TL protein có mặt trong nhiều loăi cđy.
PR-6 lă họ câc protein ức chế protease. Câc protein PR6 có thể ức chế câc protease
nhóm aspartic, serine, cystein.
PR-12 (Defensins) vă PR-13 (thionins) lă câc protein có trọng lượng phđn tử nhỏ (~5
kD), kích thước khoảng 45-54 aa. Câc protein năy lă câc protein hoạt động trín măng, phât hiện thấy ở tất cả câc nhóm sinh vật vă độc đối với nấm. Cơ chế gđy độc đối với nấm của câc loại protein năy vẫn chưa rõ nhưng defensin đê được chứng tỏ lă lăm tăng vận chuyển ion K+ ra ngoăi măng, tăng hấp thụ Ca+2 của nấm Neurospora crassa. Chất defensin Dm-AMP1 của cđy thược dược có thể tương tâc đặc hiệu với sphingolipid của nấm men Sacharomyces
cerevisiae.
PR-14 (Protein vận chuyển lipid-LTP): Câc LTP lă câc protein nhỏ, có tính kiềm. LTP
vận chuyển phospholipid qua măng. Phđn tử LTP có cấu hình gồm một xoang ghĩt nước chạy dọc phđn tử. Phđn tử LTP khi tương tâc với măng tế băo nấm sẽ tự gắn xuyín qua măng tế băo vă xoang ghĩt nước sẽ tạo ra câc lỗ dò trín măng tế băo nấm vă nấm sẽ chết. Ngoăi ra, một LTP tờ cđy Arabidopsis đê được chứng minh có khả năng vận chuyển câc câc phđn tử tín hiệu trong phản ứng SAR.