Tuy nhiên, miễn dịch trong môn học miễn dịch thực vật cần phải được hiểu rộng hơn là khả năng của cây chống lại ở mọi mức độ sự tấn công của tác nhân gây bệnh nhờ các đặc điểm cấu trúc v
Trang 1Miễn dịch học thực vật
Bài 1
1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ MIÊN DỊCH THỰC VẬT
1.1 Đối tượng và định nghĩa Miễn dịch (immunity) : là một thuật ngữ y học mô tả trạng thái có đủ sự phòng thủ sinh học nhằm tránh sự nhiễm bệnh hoặc sự tấn công do các tác nhân sinh học Đối với thực vật, miễn dịch, hiểu
theo nghĩa hẹp, là khả năng của cây duy trì sự không bị bệnh nhờ các đặc điểm cấu trúc và chức năng di truyền Tuy nhiên, miễn dịch trong môn học miễn dịch thực vật cần phải được hiểu
rộng hơn là khả năng của cây chống lại ở mọi mức độ sự tấn công của tác nhân gây bệnh nhờ các đặc điểm cấu trúc và chức năng di truyền Theo nghĩa rộng này, miễn dịch có thể được
hiểu là tính kháng của cây với tác nhân gây bệnh
Miễn dịch thực vật, do vậy, nghiên cứu sự tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây ký chủ trong quá trình gây bệnh nhằm hiểu và ứng dụng khả năng kháng bệnh của cây.
1.2 Lịch sử và khái niệm miễn dịch động vật
Nguồn gốc từ miễn dịch (immunity): Miễn dịch (Immunity) có nguồn gốc từ
từ la tinh immunitas có nghĩa ngoại lệ: không phải phục vụ quân đội, trả thuế
và các dịch vụ công cộng khác Trong văn học Roman, immunity có nghĩa rộng hơn (vd: khả năng sống sót khi bị nhiễm độc hoặc là bị bệnh truyền nhiễm)
Trong y khoa, miễn dịch được định nghĩa là sự kháng (resistance) lại bệnh (truyền nhiễm)
Các khám phá lịch sử:
• Phương pháp chủng đậu của người Trung Quốc và Ấn Độ Bệnh đậu
mùa trên người do Variola major virus (chi Orthpoxvirus) xuất hiện
khoảng 10.000 năm trước công nguyên, và là một trong nhưng bệnh nguy hiểm trên người, đặc biệt trên trẻ em Từ 20 – 60 % người nhiễm bệnh (trong đó 80% là trẻ em) có thể bị chết Bệnh đã gây ra khoảng 300-500 triệu người chết trong thế kỷ 20 Năm 1979, WHO đã tuyên bố xóa bỏ được bệnh nhờ các chiến dịch vacxin suôt 2 thế kỷ 19 và 20 Từ nhiều thế kỷ trước, người Trung Quốc và Ấn Độ (khoảng thế kỷ 16) đã biết chữa bệnh bằng cách nghiền vảy đậu mùa từ người bệnh, sau đó nhỏ vào mũi hoặc bôi vào vết cắt trên da người khỏe để phòng bệnh
Trang 2Vào khoảng 1720, bà Mary Montagu, vợ một đại sứ người Anh tại Thổ Nhĩ Kỳ đã giới thiệu phương pháp chủng đậu của người Thổ (tương tự như của người Ấn và người Trung Quốc) vào Tây Âu
• Phương pháp tạo miễn dịch chéo Cuối thế kỷ 18, Edward Jenner, một
dược sĩ người Anh đã nghe được thông tin rằng có một cô gái không bị
bệnh đậu mùa vì cô đã bị bệnh đậu bò (do Cowpox virus, một virus cùng chi Orthpoxvirus với virus đậu mùa), một bệnh trên gia súc và cả người
nhưng triệu chứng nhẹ hơn nhiều Thông tin này đã gợi ý Jenner thực hiện thí nghiệm chủng đậu người khỏe bằng vết bệnh trên da của người
bị đạu bò nhằm chống bệnh đậu mùa Phương pháp của Jenner sau đó được sử dụng rộng rãi ở Anh Vào năm1838, chính phủ Anh thông qua luật chủng đậu miễn phí cho người dân, và 20 năm sau, chủng đậu là bắt buộc tại Anh
• Phương pháp tạo miễn dịch dùng tác nhân gây bệnh nhược độc.
Phương pháp này gắn liền với tên tuổi của Louis Pasteur, một nhà hóa học và vi sinh vật học người Pháp Ông đã khám phá ra kỹ thuật tiêm
chủng này nhờ các nghiên cứu về bệnh tả gà (Pasteurella multocida), bệnh than (Bacillus anthracis) và bệnh dại (Rabies virus)
• Đọc thêm:
http://nfs.unipv.it/nfs/minf/dispense/immunology/immun.html
1.3 Lịch sử miễn dịch thực vật
1894 Ericksson cho biết nấm gỉ sắt cây cốc (Puccinia graminis) gồm các
chủng sinh lý không thể phân biệt được về hình thái nhưng khác nhau về tính gây bệnh trên cây ký chủ (vd một số chủng gây bệnh trên lúa mỳ nhưng không gây bệnh trên đại mạch và tiểu mach) Hiện nay, các chủng sinh học này đã được xác định là:
• Puccinia graminis f.sp tritici gây hại lúa mỳ (wheat)
• P graminis f sp avenae gây hại đại mạch (oat)
• P graminis f sp secalis gây hại tiểu mach (barley)
1902, H M Ward và 1915 E C Stakman: khi nghiên cứu bệnh gỉ sắt lúa mỳ
đã ghi nhận phản ứng chết hoại rất nhanh trên mô lúa mỳ do nấm và gọi là
“phản ứng siêu nhạy” (hypersensitive respond)
1964, Z Klement và đồng nghiệp ghi nhận rằng phản ứng siêu nhạy cũng xảy
ra đối với sự tấn công do vi khuẩn bệnh cây Chú ý năm 1972, phản ứng siêu nhạy cũng được phát hiện trên động vật và được gọi là phản ứng apoptosis Apotosis hiện đang là lĩnh vực nghiên cứu rất hấp dẫn trong sinh học (y học, thú y học và bệnh cây, xem chương )
Trang 3 1905, R H Biffen báo cáo rằng tính kháng bệnh gỉ sắt của 2 giống lúa mỳ (Michigan Bronze (S) và Rivet (R)) di truyền được theo luật Mendel
1909, Orton, khi nghiên cứu bệnh héo Fusarium (Fusarium oxysporum) trên
bông, dưa hấu và đậu đã phân biệt các khái niệm kháng bệnh (resistance), thoát bệnh (escape), chịu bệnh (tolerance)
1914, Stakman và đồng nghiệp đưa ra khái niệm rằng các chủng khác nhau của cùng một loài tác nhân gây bệnh không thể phân biệt được về hình thái nhưng có thể phân biệt được trên cở sở tính gây bệnh khác nhau trên các giống khác nhau của cùng một loài cây ký chủ Điều này giải thích tại sao (i) một giống cây kháng bệnh tại vùng này nhưng có thể nhiễm bệnh ở vùng khác, (ii) tính kháng bệnh thay đổi từ năm này sang năm khác và (iii) tại sao các giống kháng bỗng trở lên nhiễm bệnh bất thình lình Tất cả đều do sự có mặt hay sự thay đổi thành phần chủng sinh lý của tác nhân gây bệnh
1940-1965 H.H Flor, khi nghiên cứu bệnh gỉ sắt cây lanh đã phát hiện thấy
rằng: đối với mỗi gen qui định tính kháng trong cây ký chủ có một gen
tương ứng qui định tính gây bệnh trong ký sinh “For each gene that
conditions resistance in the host there is a corresponding gene that
conditions pathogenicity in the parasite” Ông đặt tên mối quan hệ này là
quan hệ gen-đối-gen (gene-for-gene) và thuyết do ông khám phá được gọi là thuyết gen-đối-gen Ông được xem là một trong những nhà khoa học có
công lao nhất và thuyết gen-đối-gen là một trong những thuyết quan trọng nhất trong lĩnh vực tính kháng bệnh cũng như bệnh học thực vật Ngày nay, nhiều khía cạnh trong thuyêt gen-đối-gen đã được chứng minh và bổ sung ở mức phân tử (xem chương )
1963, Vanderplank cho biết có hai loại tính kháng: (1) tính kháng dọc (vertical resistance) được điều khiển bởi một vài gen kháng chủ (“major” resistance gene) có tính kháng cao nhưng chỉ chống một hay một vài chủng tác nhân gây bệnh; và (2) tính kháng ngang (horizontal resistance) do nhiều gen kháng thứ (“minor” resistance gene) có tính kháng yếu nhưng chống được tất cả các chủng tác nhân gây bệnh Vanderplank cũng được xem là nhà khoa học có đóng góp lớn trong bệnh cây học
1.4 So sánh miễn dịch ở động vật và thực vật
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu thường so sánh tính kháng của thực vật với tính miễn dịch của động vật và đã áp dụng nhiều khái niệm của miễn dịch động vật vào nghiên cứu tính kháng thực vật Cơ chế miễn dịch động vật với tính kháng thực vật chia sẻ nhiều điểm khác nhau nhưng cũng có nhiều điểm giống nhau
Trang 41.4.1 Sự khác nhau
Sự khác nhau dễ thấy nhất là động vật máu nóng có hệ miễn dịch còn thực vật không có Hệ miễn dịch của động vật máu nóng bao gồm các cơ quan có
thẩm quyền miễn dịch và các tế bào có thẩm quyền miễn dịch Các cơ quan có thẩm quyền miễn dịch (tuyến ức, lách, tủy ) là nơi sản sinh, duy trì, biệt hoá và điều khiển sự hoạt động của các tế bào có thẩm quyền miễn dịch Các tế bào có thẩm quyền miễn dịch (chủ yếu gồm 2 loại là lympho bào B và lympho bào T) tham gia vào quá trình đáp ứng miễn dịch của cơ thể nhằm chống lại các tác nhân lạ xâm nhập Có 2 kiểu đáp ứng miễn dịch:
• Kiểu đáp ứng miễn dịch dịch thể: Khi kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, bị
đại thực bào vây bắt, xử lý và trình diện cho lympho bào B Lympho bào B
được biệt hoá thành tế bào plasma sản xuất ra kháng thể dịch thể Kháng thể
dịch thể tồn tại trong dịch cơ thể (huyết tương) và sẽ kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên
• Kiểu đáp ứng miễn dịch tế bào: Khi kháng nguyên xâm nhập vào cơ thể, bị
đại thực bào vây bắt, xử lý và trình diện cho lympho bào T Lympho bào T được biệt hoá thành lympho bào T mẫn cảm kháng nguyên và chính bản thân
chúng là kháng thể tế bào Kháng thể cũng kết hợp đặc hiệu với kháng
nguyên
1.4.2 Sự giống nhau
Ở mức độ phân tử và tế bào, phản ứng phòng thủ của thực vật và động vật chia
sẻ nhiều đặc điểm chung mà quan trọng nhất là quá trình nhận biết và khởi động phản ứng kháng hay miễn dịch.
Để có thể kích hoạt các phản ứng kháng hay miễn dịch, tế bào động vật cũng như thực vật phải có khả năng nhận biết được các tác nhân vi sinh vật ngoại lai Các tác nhân vi sinh vật hình thành các phân tử gọi là các mô hình phân tử có
nguồn gốc vi sinh vật (gây bệnh hay không gây bệnh) ký hiệu là MAMP/PAMP
(Microbe/Pathogen-Associated Molecular Pattern) Một số ví dụ về các
MAMP/PAMP là lipopolysacharide (LPS) của vi khuẩn Gram (-), peptidoglycan của vi khuẩn Gram (+), flagellin của lông roi vi khuẩn; glucan, chitin của vách
tế bào nấm Một trong những đặc điểm quan trọng là các MAMP/PAMP khá bảo thủ; điều này dẫn tới các receptor nhận biết các mô hình này (PRR, viết tắt
từ Pattern Recognition Receptor) tức là nhận biết PAMP/MAMP khá giống nhau
ở động vật và thực vật PRR của động vật là các protein như Toll của ruồi dấm, Toll-like receptor (TLR) của động vật máu nóng còn PRR của thực vật là nhiều
loại protein R Các PRR này có đặc điểm cấu trúc giống nhau, chẳng hạn có
vùng lặp giàu leucine ở đầu amin (gọi là vùng LRR, viết tắt từ Leucine Rich Repeats) – là nơi nhận biết MAMP/PAMP; vùng TIR (Toll – Interleukin 1
Trang 5Receptor) và đặc điểm chức năng giống nhau là nhận biết MAMP/PAMP và
khởi động phản ứng miễn dịch/kháng kháng bẩm sinh
1.5 Các khái niệm cơ bản về tính kháng bệnh thực vật
Tính kháng (resistance) Là khả năng loại bỏ hoặc khắc phục hoàn toàn, hoặc ở
mức độ nào đó, ảnh hưởng của tác nhân gây bệnh hoặc các yếu tố gây hại
Miễn dịch (Immunity) Là dạng cực kháng, có nghĩa tác nhân gây bệnh không
thể gây bệnh cho cây
Bệnh là ngoại lệ chứ không phải qui luật Cây thường không bị bệnh mặc dù
trong suốt đời sống của mình cây có thể tiếp xúc với rất nhiều tác nhân gây bệnh Mỗi loài cây trung bình bị tấn công bởi khoảng 100 loại tác nhân gây bệnh khác nhau; và mỗi một cá thể cây có thể bị hàng trăm tới hàng trăm ngàn cá thể của 1 loại tác nhân gây bệnh Mặc dù có thể chịu thiệt hại nhưng cây vẫn tồn tại,
và nhìn chung sinh trưởng và phát triển tốt
Nếu tác nhân gây bệnh có thể tiếp xúc nhưng hoàn toàn không gây bệnh cho cây
thì cây được gọi là cây phi ký chủ (non-host) của tác nhân gây bệnh và tính kháng của cây trong trường hợp này được gọi là tính kháng phi kí chủ (non-host resistance) hay còn được gọi là tính kháng cơ bản (basic resistance).
Tương tác giữa tác nhân gây bệnh và cây, trong trường hợp này được gọi là
tương tác không tương hợp (incompatible reaction) Cây phi kí chủ của một tác
nhân gây bệnh đôi khi được gọi là miễn dịch đối với tác nhân gây bệnh đó
Ví dụ mối quan hệ giữa nấm đạo ôn lúa với cây cà chua
Nếu tác nhân gây bệnh tiếp xúc và có thể gây bệnh ở một mức độ nào đó đối với
cây thì cây, trong trường hợp này, được gọi là cây ký chủ (host) và tính kháng của cây được goi là tính kháng ký chủ (host resistance) Tính kháng ký chủ
được chia thành 2 loại: tính kháng đặc hiệu chủng (race-specific resistance) và tính kháng không đặc hiệu chủng (race-none-specific resistance)
Tính kháng không đặc hiệu chủng (Race-non-specific resistance): Tính kháng
yếu nhưng kháng được đối với tất cả kiểu gen của 1 tác nhân gây bênh Tính
kháng không đặc hiệu chủng còn được gọi là tính kháng ngang (horizontal
resistance)
Tính kháng đặc hiệu chủng (Race-specific resistance): Tính kháng cao nhưng
chỉ kháng được một số kiểu gen (chủng, nòi) của tác nhân gây bệnh Tính kháng
đặc hiệu chủng còn được gọi là tính kháng dọc (vertical resistance).
Tính kháng bẩm sinh (Innate resistance): Tính kháng do tiềm năng di truyền
qui định
Tính kháng tạo được (Acquired resistance=induced resistance) Tính kháng
hình thành hoặc cục bộ hoặc hệ thống trên cây ký chủ mẫn cảm khi bị kích thích bởi tác nhân gây bệnh hoặc yếu tố vô sinh
Tính kháng cả đời (hay còn gọi là tính kháng cây con) (Seedling or overall
resistance): Tính kháng biểu hiện ở tất cả các giai đoạn của cây Việc chọn tính
Trang 6kháng thường làm ở giai đoạn cây con Tính kháng này thường được điều khiển bởi các các gen chủ đặc hiệu chủng
Tính kháng mô trưởng thành (Mature tissue resistance): Ở một số loài cây, chỉ
có mô non mẫn cảm với bệnh còn các mô già hoàn toàn kháng
Tính kháng cây trưởng thành (Adult plant resistance): Tính kháng chỉ biểu
hiện khi cây trưởng thành, thường do các gen chủ đặc hiệu chủng điều khiển
Tính kháng gen chủ (Major gene resistance): Tính kháng được qui định bởi
một hoặc vài gen có ảnh hưởng lớn đến sự biểu hiện tính kháng Mức độ lớn này
đủ để tạo ra các tính trạng kháng riêng rẽ không liên tục
Tính kháng gen thứ (Minor gene resistance): Tính kháng được qui định bởi các
gen có ảnh hưởng nhỏ đến biểu hiện tính kháng Mức độ nhỏ này tạo tính trạng kháng liên tục
Tính kháng đơn gen (Monogenic resistance): tính kháng được điều khiển bởi
chỉ 1 gen, thường là gen chủ
Tính kháng đa gen (polygenic resistance): tính kháng được điều khiển bởi
nhiều gen, thường là các gen thứ
Tính kháng chất lượng (qualitative resistance ): Kiểu gen cây ký chủ không có
sự biến động liên tuc trong tính kháng Kiểu gen kháng và mẫn cảm có thể phân biệt dễ dàng
Tính kháng số lượng (Quantitative resistance-QR): Kiểu gen của cây ký chủ có
sự biến động liên tuc trong biểu hiện tính kháng từ kháng rất nhẹ tới khá kháng Hầu hết các giống cây đều có tính kháng số lượng
Tính kháng đồng ruộng (Field resistance): Tính kháng biểu hiện tốt nhất trên
đồng ruộng, thường là tính kháng số lượng
Tính kháng bền vững (Durable resistance): Tính kháng duy trì trong thời gian
lâu dưới tác động của tác nhân gây bệnh
Tính kháng ổn định (Stable resistance): Đôi khi dùng sai theo nghĩa tính kháng
bền vững Nghĩa đúng là tính kháng được biểu hiện ở nhiều điều kiện sinh trưởng khác nhau Ví dụ nhiều gen kháng gỉ sắt của cây ngũ cốc mẫn cảm với nhiệt độ nên có thể được xem là có tính kháng không ổn định
Tính kháng biểu kiến (apparent resistance) Trong một số điều kiện nào đó,
mặc dù tác nhân gây bệnh và ký chủ là tương hợp với nhau (thậm chí ký chủ rất mẫn cảm) nhưng cây có thể không bị nhiễm bệnh hoặc nhiễm bệnh nhưng không biểu hiện triệu chứng hoặc triệu chứng không đáng kể Trường hợp này được gọi là tính kháng biểu kiến Tính kháng biểu kiến gồm 2 loại: sự thoát bệnh và chịu bệnh
Sự thoát bệnh (Disease escape) Một cây (giống cây) ký chủ mẫn cảm
có thể thoát bệnh nếu 3 thành phần cần thiết cho sự hình thành và phát triển bệnh (ký chủ mẫn cảm, tác nhân gây bệnh độc và môi trường thuận lợi) không trùng khớp và tương tác với nhau tại thời điểm thích hợp hoặc với thời lượng đủ
Trang 7 Tính chịu bệnh (Tolerance) Tính chịu bệnh là khả năng của cây bị
nhiễm bệnh nhưng không bị ảnh hưởng nhiều đến sinh trưởng và sinh sản Cần chú ý là, mặc dù có ý kiến cho rằng chịu bệnh là một dạng của kháng bệnh, thì sự khác nhau căn bản ở đây là đối với tính chịu bệnh, cây không biểu hiện bất cứ phản ứng kháng bệnh nào
Phản ứng siêu nhạy: là phản ứng của cây đối với sự nhiễm bệnh trong đó các tế
bào bị xâm nhiễm và các tế bào lân cận chết nhanh chóng tạo ra vết chết hoại Vết chết hoại này sẽ ngăn không cho tác nhân gây bệnh phát triển tiếp
Tài liệu tham khảo đọc thêm
1 Nurnberger et al 2004 Innate immunity in plants and animals: striking
similarities and obvious differences Immunological Reviews Vol 198: 249–
266 Nhằm tìm hiểu sự giống nhau và khác nhau của MDĐV và MDTV
2 Marie-Pierre et al 2007 Resistance to pathogens and host developmental
stage: a multifaceted relationship within the plant kingdom New Phytologist 175: 405–416 Nhằm hiểu tính kháng giai đoạn
3 Vale et al 2001 Concepts in plant disease resistance Fitopatologia
Brasileira 26:577- 589 Nhằm hiểu các khái niệm tính kháng bệnh