Theo Lyon (2007), biểu hiện trạng thái kắch kháng trong cây là kết quả cuối cùng của quá trình tương tác phức tạp giữa cây (mang thụ thể) và tác nhân kắch kháng (chất mồi không chuyên biệt) thắch hợp, có sự hoạt hóa và tham gia của nhiều con ựường truyền tắn hiệu dẫn ựến biểu hiện tắnh kháng và làm cho các mô khỏe duy trì ở trạng thái sẵn sàng phản ứng lại sự xâm nhiễm sau ựó .
Theo Garcion (2007), Sticher và ctv (1997) biểu hiện kắch kháng do nhiều cơ nguyên, có thể bao gồm các biến ựổi làm vững chắc vách tế bào, phản ứng tự chết của mô cây, tổng hợp các hợp chất có tác ựộng kháng khuẩn như phytoalexin, các PR, và các enzym có liên quan ựến tiến trình oxy hóa khử .
Sự làm vững chắc vách tế bào
Ở thực vật, lớp cutin và vách tế bào là thành phần quan trọng của tắnh kháng nền. Sự tăng cường thêm về mặt cấu trúc và sinh hóa, giúp cây kháng hiệu quả hơn với mầm bệnh.
Sự tạo papillae : Papillae có cấu tạo phức tạp, là sự kết tụ tại chỗ của callose, lignin, hợp chất extensin, defensin, ... và các dạng oxygen hoạt ựộng và cả PR, EL Reafaei (1977). Trong hầu hết trường hợp bất tương hợp, sự xâm nhiễm của nấm bệnh thường không thành công cho thấy vai trò của hàng rào phòng vệ ựầu tiên này, Collinge (2009).
Sự lignin hóa: Lignin ựược tạo ra qua phản ứng trùng hợp khử hydro ngẫu nhiên các tiền chất tạo ra từ con ựường phenylpropanoid, mà enzym xúc tác chắnh là phenylalanine ammonia-lyase (PAL). Vách tế bào ựược lignin hóa kháng với lực cơ học do ựĩa áp của nấm; ắt bị tác ựộng do enzym phân giải, nên ngăn sự cung cấp dưỡng liệu cho mầm bệnh, như trong trường hợp phản ứng kháng với nấm gây bệnh ựạo ôn Pyricularia oryzae. điều này, trực tiếp làm ngưng sự phát triển của tác nhân gây bệnh hoặc làm chậm tiến trình xâm nhiễm, cho phép cây ựủ thời gian ựể hoạt hóa các cơ chế phòng vệ khác Ezuka (1979) .
Phản ứng siêu nhạy (Hypersensitive reaction HR)
Là phản ứng tự chết nhanh chóng của các tế bào bị xâm nhiễm. HR thường ựược kiểm soát theo tương tác gen ựối gen (gene-for-gene), ựược khởi phát khi gen
không ựộc avr của mầm bệnh mã hóa phân tử chất mồi (elicitor), ựược nhận ra trực tiếp hoặc gián tiếp bởi thụ thể (receptor) ngoại hoặc nội bào mã hóa bởi gen kháng R tương ứng của cây chủ, Agrios (2005), HR làm giới hạn sự phát triển của mầm bệnh trong vùng ựã bị nhiễm và ngăn sự phát triển xa hơn của mầm bệnh dinh dưỡng hữu sinh, Greenberg J.T. (1997). Theo Ou (1985) Ở giống lúa kháng bệnh ựạo ôn, HR là cơ chế kháng phổ biến. Sự chết tế bào còn liên hệ với tắnh kắch kháng lưu dẫn .
Protein liên quan ựến sự phát sinh bệnh
Theo Sels và ctv (2008) khái niệm chung Protein có liên quan ựến sự gây bệnh (Pathogenesis related proteins, PR) là các protein thực vật, trọng lượng phân tử khoảng 5-75 kDa tùy theo loại , bình thường không hoặc chỉ hiện diện ở nồng ựộ rất thấp trong mô khỏe, nhưng sẽ ựược tắch tụ ở mức cao hơn khi ở trạng thái bệnh lý hay trạng thái tương tự, trong ắt nhất hai hệ thống cây chủ-mầm bệnh Van Loon (2006). Theo Van Loon(1999) tình trạng bệnh lý liên quan ựến sự xâm nhiễm trực tiếp của mầm bệnh; các tình trạng có liên quan ựến bệnh lý thì không do xâm nhiễm hoặc hoại tử do ựộc tố PR ựược cảm ứng do hóa chất là cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng tác nhân kắch kháng là hóa chất .
Trong cây, PR hiện diện trong nhiều bộ phận của cây, nhất là trong lá, với hàm lượng có thể lên ựến 5-10% protein tổng sốtrong lá. Hầu hết PR-protein có tắnh acid, ngoại bào, thường ựược cảm ứng do mầm bệnh .
Hầu hết PR có tắnh kháng vi sinh vật in vitro nhờ vào hoạt tắnh thuỷ phân vách tế bào, hoặc trực tiếp gây ựộc. Trong cây, protein gian bào tắch tụ giữ vai trò như lớp phòng vệ ựầu tiên ựối với mầm bệnh tấn công. Các PR không bào(enzym phân giải) là tuyến phòng vệ thứ hai .
Kết quả nhiều nghiên cứu cho thấy có sự liên hệ chặt chẽ giữa chức năng của PR và tắnh kháng bệnh của cây. Khi bị nhiễm bệnh, PR hoặc mRNA của chúng tắch tụ nhiều và ựạt mức tối ựa nhanh hơn trong cây kháng so với cây nhiễm bệnh. Nhiều nghiên cứu trên các hệ thống cây chủ-mầm bệnh khác nhau cũng có ghi nhận tương tự Wang và ctv (2007). Trong cây kháng bệnh tự nhiên, PR cũng thường có sẵn trong cây ở mức cao. Biểu hiện gen PR giúp cây chuyển gen gia tăng tắnh kháng
bệnh. Cây lúa biểu hiện gen PR-5,kháng với bệnh do R. solani . Sự tắch tụ nhanh (trong vòng 24 giờ) mRNA của các gen phòng vệ, PR-1, β-glucanase, và chitinase trong cây mang gen Pi-ta, cho thấy là cây lúa phản ứng nhanh với sự xâm nhiễm của Pyricularia oryzae. PR trong cây kắch kháng ựược biểu hiện tại chỗvà lưu dẫn, và ựược xem như dấu hiệu của tắnh kắch kháng lưu dẫn SAR. Các gen PR còn ựược gọi là gen SAR.. SAR và bộ gen PR ựi cùng ựược cảm ứng bởi mầm bệnh, cũng như bởi hóa chất, theo con ựường dẫn truyền tắn hiệu phụ thuộc salicylic acid. Tuy nhiên, bản chất và mức ựộ biểu hiện của PR thay ựổi giữa các loài thực vật Jia và ctv (2009).
Sự cảm ứng và ựiều hòa biểu hiện của PR
+ PR trong cây ựược mã hóa bởi một họ ựa gen nhỏ. Thụ thể của chất cảm ứng PR ựược cho là nằm ở màng tế bào. Các tắn hiệu thứ cấp trong cảm ứng PR, bao gồm SA, jasmonic acid và ethylene. Sự tác ựộng lẫn nhau giữa các con ựường dẫn truyền tắn hiệu qua trung gian chất mang thông tin thứ cấp này cũng ựã ựược chứng minh, Pieterse và ctv (2009).
+ Chất cảm ứng tạo PR thường có nguồn gốc sinh học. Các phân mảnh của glucan và chitin từ vách tế bào nấm, các glycoprotein, peptide từ nấm và protein thuộc họ elicitin; sản phẩm protein của gen không ựộc sản sinh từ nấm và vi khuẩn, Staskawicz và ctv (1999); các enzym phân giải vách tế bào như polygalacturonase, cũng cảm ứng tắch tụ PR, chúng ựược xem là các chất mồi nội sinh .
+ Một số hóa chất như salicylic acid, polyacrylicacid , fatty acid, muối vô cơ, các kắch thắch vật lý (sự tổn thương, bức xạ UV-B, nhiệt ựộ, thiếu hoặc thừa nước,...), các chất ựiều hòa sinh trưởng thực vật Kúc (2006), các dạng oxygen hoạt ựộng ROS, Schultheiss và ctv (2003) cũng ựược ghi nhận là cảm ứng tạo PR.
+ Ngoài ra, sự tổng hợp PR có thể ựược khởi phát do các kắch thắch nội sinh liên quan ựến và ựược ựiều hòa theo sự phát triển của cây .
Sự dẫn truyền tắn hiệu cảm ứng PR
Mặc dù ựến nay vẫn chưa rõ bản chất của tắn hiệu di chuyển trong SAR, nhưng ethylene ựược chứng minh là cần thiết ựể tạo ra, phóng thắch hoặc vận chuyển tắn hiệu di ựộng ựến các mô ở khoảng cách xa. Khi tắn hiệu di chuyển ựến,
mô bắt ựầu tạo ra SA, và cảm ứng tạo các PR ở ựây. Phản ứng HR làm biểu hiện mạnh các gen phòng vệ và SAR. Nhiều ựột biến cpr (constitutively expressing PR) cũng là các ựột biến giả thương tổn (lesion mimics) ựều biểu hiện PR và SAR. Trong HR, không chỉ SA tăng, mà ngay trước ựó còn có sự tăng hoạt ựộng tổng hợp JA và ET .
- Khái quát về ựặc tắnh của một số PR thường ựược ghi nhận trong cây lúa qua các tương tác có biểu hiện tắnh kắch kháng lưu dẫn:
PR-1 protein:
PR-1 hiện diện phổ biến và phong phú nhất, ựược cảm ứng tăng gấp 10.000 lần trong mô nhiễm và tắch tụ ựến 1-2% tổng protein trong lá . PR-1 thắch ứng tốt với môi trường ngoại bào, chịu ựược pH acid (pH 3), và với tác ựộng của protease nội và ngoại sinh. Gen PR-1thường ựược cảm ứng do mầm bệnh hoặc SA, thường ựược xem như một chỉ thị cho sự kắch hoạt phản ứng SAR của cây Buchel (1999)
PR-1 ựược cho là có vai trò trong tắnh kháng virus hoặc sự di chuyển của virus trong cây. Hoạt tắnh kháng nấm trực tiếp của PR-1 ựược chứng minh in vitro qua tác ựộng ức chế sự nẩy mầm của ựộng bào tử nấm Phythopthora infestans, và in vivo qua hiệu quả giúp cây giảm bệnh. Các PR-1 có ựiểm ựẳng ựiện khác nhau cũng có tắnh kháng nấm khác nhau, Van Loon (1997) .
Theo Jwa và ctv (2006) trên cây lúa, có ựến 39 gen kiểu PR-1 (ở Arabidopsis là 22) PR1 kiềm tắnh (OsPR1b) ựược ghi nhận trong phản ứng với bệnh ựạo ôn và xử lý với jasmonic acid. PR1 có tắnh acid (OsPR1a) 17 kDa, ghi nhận trong cây lúa nhiễm bệnh ựốm vằn, xử lý với JA. Gen OsPR1a và OsPR1b, ựược ựiều hòa bởi sự thương tổn, JA, SA, H2O2,...và sự xâm nhiễm của Pyricularia oryzae. Sự cảm ứng PR-1do Pyricularia oryzae thường ựược ghi nhận vào 24 giờ sau khi lây bệnh. Sự tắch tụ nhanh RNA của PR-1trong phản ứng kháng cho thấy PR-1có vai trò tắch cực trong tắnh kháng với Pyricularia oryzae,Wang và ctv (2007).
PR-2protein:
Họ PR-2, gồm các β-glucosidase (β-glucan endohydrolase), bao gồm β-1,3- glucanase (E.C. 3.2.1.39) và β-1,3-1,4-glucanase (EC 3.2.1.73), phong phú và phân bốrộng rải ở thực vật có hạt, chúng ựược thành lập và tiết ra ở bên trong vách tế bào
và gian bào, dưới nhiều ựồng dạng, khác nhau về kắch thước, ựiểm ựẳng ựiện, cấu
trúc cơ bản, ựịnh vị trong tế bào, và chịu sự ựiều hòa khác nhau. β-1,3-glucanase
xúc tác phản ứng thủy phân dạng endo của liên kết 1,3-β-D-glucosidic trong các
hợp chất β-1,3-glucan (thành phần cấu tạo của vách tế bào nấm), nên có vai trò
trong phản ứng của cây ựối với mầm bệnh, cũng như trong nhiều tiến trình sinh lý
khác nhau ở cây, Simmons (1994).
Vai trò và hoạt tắnh của β-1,3-glucanase trong kắch kháng
β-1,3-glucanase có tác ựộng làm phân giải vách tế bào nhiều loại nấm in vitro ở nồng ựộ rất thấp (khoảng 50 ộg/ml) và in vivoqua biểu hiện tắnh kháng bệnh của các cây biểu hiện gen PR-2. Lây nhiễm với Peronospora tabacina hoặc với TMV tạo kắch kháng lưu dẫn chống lại bệnh do P. tabacina và làm tăng tổng hoạt tắnh β-1,3-glucanase trong cây so với ựối chứng từ lúc lây bệnh ựến 4 ngày sau. Trong cây kắch kháng ghi nhận có 4 ựồng dạng của β-1,3-glucanase, hoạt tắnh của G1 và G2 cao hơn so với ựối chứng ở giai ựoạn ựầu sau lây bệnh; hoạt tắnh G3 tương tự giữa trước và sau lây bệnh, nên không có vai trò trong tắnh kháng ,Gachomo và ctv (2003).
Trên lúa, ựã ghi nhận 13 gen mã hóa β-glucanase, mRNA của OsGns1 khi biểu hiện mạnh trong cây lúa chuyển gen, giúp tăng tắnh kháng bệnh ựạo ôn do
Pyricularia oryzae . Trong cây lúa ựược kắch kháng với chitosan (1.000mg/lắt), hoạt tắnh β-1,3-glucanase tăng cao nhất vào 72 giờ và 168 giờ, gấp 2-3 lần so với ựối chứng sau khi lây bệnh với nấm Pyricularia oryzae .
