học thuyết gen đối gen của tác giả Flor

ĐẶT VẤN ĐỀ.
Các cây và các tác nhân gây bệnh có mối liên hệ phức tạp luôn ảnh hưởng đến
nhau giữa chúng có sự tương tác. Đôi khi các tác nhân gây bệnh có thể gây bệnh
thành công trên cây ký chủ, trong khi thường là cây chủ hiển thị kháng bệnh
thành công. Flor phát hiện ra một mô hình của kháng được gọi là gene - đối -
gen mà ở đó một gen duy nhất của mầm bệnh thực vật tương ứng với một gen
kháng duy nhất của cây ký chủ. Ý kiến này đã được chứng minh là có giá trị
trong việc nhân giống cây trồng và sản xuất ra các cây có chứa gen kháng bệnh
mà các nhà nghiên cứu sử dụng sự kết hợp của các gen kháng để xây dựng giống
kháng với các chủng gây bệnh nguy hiểm của tác nhân gây bệnh cụ thể.
Bản chất của hiện tượng kháng là sự tương tác giữa cây trồng với tác nhân
gây bệnh. Giống cây tạo được gọi là giống kháng (resistant) còn chủng tác nhân
gây bệnh gọi là chủng không độc (avirulent). Nhưng thực tiễn khi đen các giống
kháng này ra ngoài đồng một thời gian sau tính kháng bị biến mất. Từ đó người
ta rút ra một kết luận trong quần thể chủng tác nhân gây bệnh đã hình thành các
đột biến có thể khắc phục được tính kháng của giống cây kháng bệnh. Trong
trường hợp này, chủng tác nhân gây bệnh trở thành chủng độc (virulent) đối với
giống kháng đó. Vì vậy để tồn tại lâu dài giữa tác nhân gây bệnh và cây ký chủ
dường như có một mối quan hệ đồng tiến hóa. Mối quan hệ đồng tiến hóa này có
thể được giả thích bằng thuyết gen-đối-gen.
/>1
Harold Henry Flor (1900-1991), một nhà bệnh cây học người Mỹ. Mặc dù
không phải là người đầu tiên sử dụng thuật ngữ gen-đối-gen, nhưng ông là
người đầu tiên chứng minh rằng biểu hiện bệnh là hậu quả mối tương tác của cả
tác nhân gây bệnh và ký chủ và di truyền được.
Flor đã xây dựng thuyết gen-đối-gen dựa trên nhiều thí nghiệm di truyền về
tính gây bệnh và tính độc của các tổ hợp lai giữa các chủng sinh lý của nấm
Melampsora lini gây bênh gỉ sắt cây lanh (Linum usitatissimum) trên các giống
lanh có tính kháng và mẫn cảm khác nhau với nấm. Các thí nghiệm này chủ yếu
được thực hiện từ những năm 1940 đến 1960.
THÍ NGHIỆM VỀ BỆNH GỈ SẮT CÂY LANH CỦA FLOR

1.1. Đặc điểm nấm gỉ sắt Melampsora lini.
Nấm M. lini thuộc họ Melampsoraceae, bộ Uredinales, lớp nấm đảm
Basidiomycetes với bộ nhiễm sắc thể n = 18. M. lini là nấm gỉ sắt đồng chủ
( hoàn thành vòng đời trên một cây ký chủ). Nấm có chu kỳ lớn tạo đủ 5 loại bào
tử trong cả vòng đời, theo trình tự là bào tử giống – bào tử xuân – bào tử hạ -
bào tử đông - bào tử đảm.
Vòng đời của nấm khá phức tạp gồm 2 pha đơn bội và song hạch (2 nhân).
Nấm qua đông dưới dạng bào tử đông lưỡng bội (2n) trên tàn dư cây ký chủ.
Vào mùa xuân, nhân lưỡng bội của bào tử đông giảm nhiễm thành nhân đơn bội
(1n) và bào tử đông nảy mầm thành đảm, từ đảm sẽ hình thành 4 bào tử đơn bội
gọi là bào tử đảm (1n). Bốn bào tử đảm này khác nhau về kiểu ghép cặp (mating
type) trong đó 2 bào tử thuộc kiểu ghép cặp (+) và 2 bào tử còn lại thuộc kiểu
ghép cặp (-). Bào tử đảm tách khỏi đảm, phát tán và tiếp xúc trên bề mặt lá cây
lanh. Trong điều kiện đủ ẩm, bào tử đảm nảy mầm và xâm nhập qua biểu bì trên
của lá và hình thành sợi nấm đơn bội trong mô lá. Trong mô lá, sợi nấm phát
triển trong gian bào và hình thành vòi hút bên trong tế bào để hấp thụ dinh
dưỡng. Ở pha đơn bội này, nấm là loài dị tản (heterothallic) có nghĩa mỗi cá thể
(sợi nấm) hoặc thuộc kiểu ghép cặp (-) hoặc thuộc kiểu ghép cặp (+). Tiếp theo,
2
sợi nấm đơn bội hình thành 2 cơ quan sinh sản khác nhau. (1) ở phía biểu bì
trên, nấm tạo ra ổ bào tử giống dạng bình tam giác có lỗ mở, bên trong chứa các
bào tử giống (1n) đóng vai trò như giao tử đực. Nhô ra khỏi lỗ mở của ổ bào tử
giống là các sợi nấm hữu thụ, phân nhánh, không có vách ngăn gọi là sợi tiếp
nhân. (2) Ở phía biểu bì dưới, vẫn cùng một cá thể nấm, sợi nấm hình thành tiền
ổ bào tử xuân (gồm các sợi nấm tụ tập lại) chứa các tế bào gốc (basal cells) đóng
vai trò như giao tử cái.

/>Quá trình sinh sản hữu tính bắt đầu khi bào tử giống khác kiểu ghép cặp (ví
dụ là +) tiếp xúc và dung hợp (fusion) với sợi tiếp nhận (ví dụ là -). Sau khi
dung hợp, nhân của bào tử giống (+) sẽ di chuyển dọc sợi tiếp nhận (-), vượt qua

các vách ngăn tế bào của sợi nấm (-) tiến tới tiền ổ bào tử xuân (-), cuối cùng tới
tế bào gốc (-) để tạo thành tế bào gốc chứa 2 nhân (- và +). Tiền ổ bào tử xuân sẽ
phát triển thành ổ bào tử xuân có lỗ mở, bên trong hình thành các bào tử xuân 2
nhân (n+n) mọc thành chuỗi. Bào tử xuân giải phóng khỏi ổ bào tử xuân, phát
3
tán nhờ gió, tiếp xúc, xâm nhập vào mô lá, thân và hình thành sợi nấm 2 nhân
trong mô. Sợi nấm 2 nhân sẽ hình thành các ổ bào tử hạ chứa nhiều bào tử hạ 2
nhân. Bào tử hạ tiếp tục phát tán và tạo ra nhiều chu kỳ xâm nhiễm mới. Vào
mùa thu, trên tàn dư lá bệnh, sợi nấm 2 nhân sẽ hình thành ổ bào tử đông chứa
các bào tử đông hình trụ. Lúc đầu, mỗi tế bào của bào tử đông gồm 2 nhân riêng
biệt nhưng trong thời gian ngủ nghỉ, 2 nhân sẽ tiến hành hợp nhân (karyogamy)
để tạo thành 1 nhân lưỡng bội (2n). Như vậy bào tử đông thành thục là bào tử
đơn nhân lưỡng bội và ngủ nghỉ qua đông để tới mùa xuân bắt đầu chu kỳ bệnh
mới.
Như vậy, nấm gỉ sắt lanh có pha 2 nhân chiếm ưu thế trong chu kỳ phát
triển. Vì sợi nấm hay bào tử 2 nhân chứa kiểu gen của cả bố và mẹ nên di truyền
tính gây bệnh và tính độc của nấm có thể được phân tích theo các qui luật di
truyền Menden.
1.2. Đặc điểm cây ký chủ.

/>Cây lanh (Linum usitatissimum) là cây tự thụ, có nguồn gốc từ phía đông
Địa Trung Hải đến Ấn Độ được trồng rộng rãi ở Ai Cập cổ đại,được trồng chủ
yếu để lấy hạt, dầu và sợi. Vào những năm 30, các nhà bệnh cây Mỹ đã xác định
được cây lanh có thể kháng được bệnh gỉ sắt và tính kháng được điều khiển bởi
di truyền với kiểu hình kháng là trội so với kiểu hình nhiễm. Cho tới nay, 31 gen
kháng bệnh gỉ sắt đã được phát hiện trên lanh. Các gen này nằm trên 5 loci được
4
ký hiệu là K (2 gen), L (13 gen), M (3 gen), N (6 gen) và P (13 gen). Trong
những năm 40 và 50, Flor đã sử dụng nhiều giống lanh kháng bệnh để nghiên
cứu di truyền về tính kháng bệnh của cây lanh. Các giống lanh này là các giống

thuần, đồng hợp tử về tính trạng kháng nhiễm và được gọi là các giống chỉ thị
1.3. Các thí nghiệm của Flor.
 Vào những năm 1940, trước khi DNA cho thấy có trách nhiệm kế
thừa, một nghiên cứu bệnh cây học đã nghiên cứu bệnh gỉ sắt lanh.
 Năm 1942, Flor lai chủng nấm số 6 với số 22. Khi thử tính gây
bệnh của 67 con cháu F2 trên 12 giống chỉ thị ông đã:
• Xác định được 57 kiểu hình không độc/độc khác nhau (ông gọi là
các chủng). Kết quả này gợi ý rằng trên mỗi giống chỉ thị thì kiểu hình
độc và không độc là khác nhau giữa chủng 6 và chủng 22.
• Kiểu hình không độc là trội so với kiểu hình độc vì trên mỗi giống
chỉ thị, tỷ lệ phân ly không độc/độc = 3/1.
 Năm 1946, Flor lai chủng nấm số 22 với chủng số 24. Khi thử tính
gây bệnh của 133 con cháu F2 trên 14 giống chỉ thị ông thu được kết quả sau:
• Xác định được 68 kiểu hình không độc/độc khác nhau (chủng).
• Xuất hiện sự phân lý tính trạng không độc/độc trên 14 giống. Tỷ lệ
phân ly khác nhau tùy thuộc số gen kháng cây chỉ thị: 3/1 trên 9 giống
mang 1 gen kháng; 15/1 trên 2 giống mang 2 gen kháng, và 63/1 trên 1
giống mang 3 gen kháng.
 Năm 1955, Flor sử dụng lại 67 con lai F2 của chủng số 6 và chủng
số 22 để thử tính gây bệnh trên 32 giống chỉ thị, phần lớn chúng chỉ có một
gen kháng (theo xác định của Flor). Ông thu được kết quả tương tự:
• Xuất hiện sự phân ly tính trạng không độc/độc trên 24 giống chỉ thị.
Tỷ lệ phân ly trên 23 giống đều là 3/1.
5
• Đa số các cặp không độc/độc là khác nhau vì chúng phân ly độc lập
với nhau.
Các kết quả trên đưa Flor tới kết luận là (1) khả năng gây bệnh của nấm M.
lini trên cây lanh do sự tương tác của các gen kháng/nhiễm của cây ký chủ và
gen không độc/độc của nấm gây bệnh; (2) Mối tương tác này là đặc hiệu nghĩa
là một gen qui đinh tính không độc/độc của nấm tương tác với chỉ một gen qui

định tính kháng/nhiễm của cây ký chủ; và (3) các gen qui định tính kháng của
cây và tính không độc của nấm các gen trội.
KHÁI NIỆM GEN-ĐỐI-GEN
1.4. Khái niệm
Năm 1971, Flor đã viết: 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. Khẳng định này của
Flor được sử dụng rộng rãi và được xem là định nghĩa chính thức của Flor về
thuyết gen-for-gen.
Vì mối quan hệ gen-đối-gen thường là quan hệ trội – trội trong khi đó “gen
qui định tính gây bệnh” thường được hiểu là gen lặn nên định nghĩa trên của
Flor dễ gây nhầm lẫn. Do vây, khái niệm gen-đối-gen của Flor đã được biến đổi
một chút cho phù hợp với lý thuyết của ông như sau: “đối với mỗi gen qui định
tính kháng trong cây ký chủ có một gen tương ứng qui định tính không độc
trong ký sinh và 2 gen này tương tác đặc hiệu với nhau”.
Lý thuyết gen đối gen đã được chấp nhận và áp dụng cho cả nấm và vi khuẩn
gây bệnh , cùng với một số virus, tuyến trùng, và thậm chí cả côn trùng Nó là
khá phức tạp , vì nhiều tác nhân gây bệnh có nhiều gen có thể ảnh hưởng đến
tính độc hại - khả năng gây bệnh. Ngoài ra, các cây có xu hướng có nhiều loại
gen kháng khác nhau. Có rất nhiều chủng khác nhau của một số tác nhân gây
bệnh. Các gen cây ký chủ qui định tính kháng (chú ý không nhất thiết phải tuân
theo quan hệ gen-for-gen) được gọi chung là gen R (Resistance). Các gen ký
sinh qui định tính không độc của ký sinh được gọi chung là gen Avr
6
(Avirulence). Các ký hiệu R hoặc Avr sẽ được viết thường là r hoặc avr nếu
trạng thái của gen là lăn. Mỗi chủng có khả năng tấn công kết hợp khác nhau
của các giống cây trồng, tùy thuộc vào hỗn hợp của các gen kháng trong cây mà
người ta sử dụng các kí hiệu riêng.
1.5. Đặc điểm quan hệ gen-đối-gen
Cả gen kháng của ký chủ và gen không độc của ký sinh đều phải được biểu
hiện để tạo ra tính kháng.

Mỗi gen ký chủ thường nhận biết và tương tác với chỉ gen tương ứng của ký
sinh (và ngược lại). Điều này dẫn tới nếu ký chủ có nhiều gen kháng/nhiễm và
ký sinh có nhiều gen không độc/độc thì tính kháng chỉ có thể hình thành khi ít
nhất có tương tác của một cặp gen tương ứng.
Số lượng chủng (race) tối đa trong quần thể tác nhân gây bệnh =2
n
trong đó n
là số gen kháng R trong quần thể ký chủ.
Xác định kiểu hình kháng hay nhiễm hoàn toàn dễ dàng khi sử dụng bảng
punnett. Khi xây dựng bảng punnett cần chú ý là kiểu gen của cây ký chủ là
lưỡng bội còn kiểu gen của ký sinh sẽ hoặc đơn bội hoặc lưỡng bội tùy thuộc
loại tác nhân gây bệnh. Ví dụ ký sinh có kiểu gen đơn bội là vi khuẩn, nhiều loại
nấm túi (như nấm đạo ôn lúa Pyricularia oryzae); ký sinh có kiểu gen lưỡng bội
là tuyến trùng, các loài nấm đảm (như nấm gỉ sắt, than đen ).
Tính kháng của cây trồng tuân theo quan hệ gen-đối-gen được gọi là tính
kháng gen-đối-gen. Tính kháng gen-đối-gen thường là tính kháng đặc hiệu ký
chủ, tính kháng đơn gen, tính kháng gen chủ, tính kháng không bền vững.
Hậu quả của một phản ứng kháng gen-đối-gen thường là phản ứng siêu
nhạy/apoptosis.
ĐẶC ĐIỂM CỦA GEN KHÔNG ĐỘC (GEN AVR)
Tác nhân gây bệnh với các gen avirulence có thể gây bệnh trên cây chủ của
chúng mang bất kỳ loại gen kháng , trong khi những cây có gen avirulence phù
hợp với một gen kháng cụ thể sẽ tạo ra cây có khả năng chống chịu. Những gen
7
avirulence sản xuất một sản phẩm được phát hiện bởi các cây, chủ yếu là các
Arv protein tương tác với hệ thống miễn dịch cơ bản của thực vật. Nâng cao khả
năng của các tương tác phân tử giữa các tác nhân gây bệnh và chủ của nó nên
kết quả trong kiểm soát dịch bệnh lớn hơn của tác nhân gây bệnh .
Một số thuật ngữ liên quan hiện đang được sử dụng:
Effector (chất hiệu ứng): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh tác

động lên tế bào ký chủ, nhờ đó tạo điều kiện cho sự nhiễm bệnh. Một effector
được gọi là elicitor khi nó bị cây nhận biết và khởi động phản ứng phòng thủ.
Elicitor (chất kích hoạt): là phân tử có nguồn gốc từ tác nhân gây bệnh khởi
động phản ứng phòng thủ dẫn tới tăng cường tính kháng và được cây nhận biết.
Khi sự nhận biết được thực hiện nhờ protein R thì elicitor được xem là Avr
protein.
Định nghĩa
Gen Avr là các gen làm cho tác nhân gây bệnh trở thành không độc khi có
mặt gen kháng R của cây ký chủ. Khả năng này của gen Avr có được là do sản
phẩm protein của nó cảnh báo tế bào cây ký chủ về sư tấn công của tác nhân gây
bệnh và do đó khởi động phản ứng phòng thủ dẫn tới phản ứng siêu
nhạy/apoptosis. Như vậy có thể xem protein Avr là elicitor được cây nhận biết
thông qua gen kháng R
Không giống như gen kháng R, nhìn chung, protein Avr chia sẻ ít đặc điểm
chung với nhau. Dưới đây là một số đại diện Avr gen/protein
Họ gen AvrBs3 của vi khuẩn Xanthomonas. Cho tới nay, khoảng 40 Avr gen
của họ này đã được xác định từ nhiều loài Xanthomonas kể cả 1 gen Brg11 của
vi khuẩn Ralstonia solanacearum. Các ví dụ của các Avr gen thuộc họ này bao
gồm:
X. campestris pv.
Vesicatoria
AvrBs3, AvrBs4
X. oryzae pv. Oryzae AvrXa5, AvrXa3, AvrXa7,
8
AvrXa10,AvrXa27
Các gen thuộc họ này mã hóa cho các protein chứa khoảng 13 - 23 các chuỗi
lặp gồm 34 aa ở vùng trung tâm. Đầu C của các protein này chứa dấu hiệu nhập
nhân (Nuclear Localization Signal – NLS) và một vùng hoạt hóa phiên mã
(Activated Domain – AD). Cấu trúc này chứng tỏ (đã được chứng minh bằng
thực nghiệm) các protein này hoạt động trong nhân và tương tác với quá trình

phiên mã của tế bào ký chủ.
Gen AvrPto của vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato (gây bệnh đốm
đen vi khuẩn cà chua). Gen này mã hóa protein AvrPto có trọng lượng phân tử
thấp khoảng 18 kD và được hệ thống tiết loại 3 của vi khuẩn đưa và trong tế bào
chất.
Các gen Avr của nấm. Có khá nhiều gen Avr của nấm đã được phân lập. Một
số protein Avr là các protein giàu cystein như AvrCf2 của nấm Cladosporium
fulvum; AvrP4; AvrP123 của nấm M. lini. Một số protein Avr được nấm tiết ra
9
ở gian bào (apoplasm) và tương tác với protein R của ký chủ ở bề mặt tế bào; vi
dụ như các protein AvrCf2, vrCf4, AvrCf9 của nấm C. fulvum. Một số lại được
nấm tiết trực tiếp vào tế bào chất qua vòi hút chẳng hạn như các protein kháng
của nấm sương mai, phấn trắng, gỉ sắt.
Các gen Avr của virus. Đối với virus thực vật, các gen Avr thường liên quan
đến 1 protein chức năng của virus. Ví dụ điển hình là protein tái sinh
(Replication protein) của Tobacco mosaic virus –TMV là gen không độc tương
ứng với gen kháng N trong cây thuốc lá.
Ngoài ra, các protein vỏ (Coat Protein – CP) của virus cũng là gen Avr phổ
biến của virus.
Một câu hỏi cần đặt ra là tại sao các Avr gen/protein của tác nhân gây bệnh
làm giảm khả năng tấn công (mất ưu thế thích nghi) của tác nhân gây bệnh lại
vẫn tồn tại trong quần thể tác nhân gây bệnh. Câu trả lời là mặc dù các gen này
có thể tương tác (trực tiếp hoặc gián tiếp) với gen kháng thì trong trường hợp
không có gen kháng, các gen Avr này vẫn có một số chức năng có lợi cho tác
nhân gây bệnh. Ví dụ trên cây cà chua thiếu gen kháng Pto thì gen AvrPto sẽ
tạo điều kiện cho sự gây bệnh của vi khuẩn bằng cách ức chế sự phòng thủ vách
tế bào cây (thí nghiệm trên cây Arabidopsis). Các nghiên cứu đối với nấm
Phytophthora infestans, Puccinia graminis cho thấy, ngay sau khi áp lực chọn
lọc bởi gen kháng R của ký chủ bị mất thì các gen Avr tái xuất hiện.
10

GEN KHÁNG R VÀ PROTEIN R
Cây có thể có rất nhiều tác nhân gây bệnh tác động lên nhưng để tồn tại được
thì cây phần lớn có thể kháng lại được tác nhân gây bệnh và biểu hiện tính
kháng với mức độ khác nhau.
Các gen kháng R này có thể qui định tính kháng thông qua quan hệ gen-đối-gen
hoặc không. Sản phẩm của các gen này gọi là các protein kháng R
Các protein kháng R được chia thành 5 lớp dựa trên đặc điểm cấu trúc và vị
trí hoạt động của chúng trong tế bào ký chủ. Các protein trong cùng lớp nhìn
chung khá bảo thủ.
1.6. Pto
Lớp protein thứ nhất chỉ gồm 1 thành viên là Pto phân lập từ cà chua. Pto có 1
vùng có hoạt tính xúc tác kinase. Pto là gen kháng hoạt động trong tế bào chất.
Pto là protein kháng chống vi khuẩn P. syringae pv. tomato mang gen AvrPto.
Pto có hoạt tính kinase điều khiển dẫn truyền tín hiệu trong tế bào chất dẫn tới
phản ứng siêu nhạy.
1.7. CNL (CC-NB-LRR)
Lớp protein kháng thứ hai gồm một số lượng lớn protein có cấu trúc gồm (1)
một vùng khóa kéo leucine (leucine-zipper – LZ) hoặc một chuỗi xoắn kép
(coiled-coil – CC) ở đầu amin; (2) một vùng có khả năng liên kết nucleotide
(nucleotide binding – NB) ở vùng trung tâm; và (3) một vùng lặp giàu leucine
(leucine-rich repeats - LRR) phía đầu carboxyl. Các protein của lớp này hoạt
động trong tế bào chất. Các ví dụ về protein lớp CNL trình bày ở Bảng 2.
1.8. TNL (TIR-NB-LRR)
Lớp protein kháng thứ ba là lớp có số lượng lớn nhất và chỉ có ở cây 2 lá
mầm. Về cấu trúc, lớp protein TNL tương tự lớp CNL nhưng thay vì chuỗi CC
11
là một chuỗi TIR. Chuỗi TIR là một vùng protein tương đồng với receptor Toll
(của ruồi dấm) và receptor Interleukin-1 (của người) (TIR = Toll/Interleukin-1
Receptor). Tương tự protein kháng lớp CNL, các protein của lớp TNL cũng hoạt
động trong tế bào chất. Các ví dụ về protein lớp TNL trình bày ở Bảng 2.

Cả 2 lớp CNL và TNL còn được xếp vào chung một họ protein kháng gọi là
họ NB-LRR. Số lượng gen kháng của họ này đươc xem là chiếm số lượng lớn
nhất trong các họ protein (Ví dụ trên lúa có hơn 400 gen; Arabidopsis có 150
gen).
Đối với cả 2 lớp, đầu amin (chứa vùng CC hoặc TIR) chịu trách nhiệm tương
tác với phân tử được bảo vệ - guardee hoặc với các phân tử phía hạ lưu của
đường hướng dẫn truyền tính kháng. Phần trung tâm là vùng NBS có khả năng
liên kết và thủy phân ATP và do đó chịu trách nhiệm khởi động đường hướng
dẫn truyền tín hiệu. Ở đầu carboxyl, chuỗi LRR chịu trách nhiệm qui định tính
đặc hiệu đối với elicitor mặc dù phần lớn là gián tiếp.
1.9. Cf
Lớp protein kháng thứ tư là một số các protein Cf phân lập từ cà chua như
Cf2, Cf4, Cf5, Cf9 qui định tính kháng với nấm Cladosporium fulvum mang các
gen Avr tương ứng là AvrCf2, AvrCf4, AvrCf5, AvrCf9. Các protein này thiếu
vùng NB; không có hoạt tính kinase. Các prtein nhóm này là các protein xuyên
màng với vùng LRR nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào).
1.10. Xa21
Lớp protein kháng thứ 5 chỉ có protein Xa21 phân lập từ lúa. Protein Xa21 là
một protein xuyên màng, có một vùng LRR nằm bên ngoài (trên bề mặt tế bào)
và một vùng kinase nằm bên trong tế bào chất.
Một số protein R không thuộc 5 lớp trên gồm:
• Hml là một enzyme khử độc và kháng nấm Cochlibolus trên ngô.
12
• Mlo là một protein màng tế bào lúa miến (barley) mà các đột biến lặn của
nó qui định tính kháng nấm phấn trắng và có lẽ điều khiển âm các phản
ứng phòng thủ.
• RPW8 là protein phân lập từ cây Arabidopsis qui định tính kháng nấm
phấn trắng theo kiểu không đặc hiệu chủng. PRW8 cũng là một protein
xuyên màng.
TƯƠNG TÁC GIỮA PROTEIN R VÀ AVR

1.11. 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.
• Tương tác giữa protein AvrPi-ta (của nấm Pyricularia oryzae) và
protein Pi-ta (lúa).
• Tương tác giữa AvrL567 (của nấm M. lini) và các protein L5, L6,
L7 (họ các protein kháng thuộc locus L của cây lanh)
• 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
13
1.12. Tương tác gián tiếp mô hình bảo vệ (Guard model)
Theo mô hình bảo vệ (tương tác giữa gen kháng R và Avr ) 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.
/>script=true
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
14
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.

/>ĐỒNG TIẾN HÓA GIỮA GEN AVR VÀ R
1.13. Sự đa dang trong quần thể tác nhân gây bệnh
Trong môi trường tự nhiên thì một oài tác nhân gây bệnh đa dạng về mặt di
truyền.
a)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, 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.
/>15
Sinh sản hữu tính xảy ra khi có sự kết hợp giữa hai giao tử đực và cái (gametes)
có trải qua giai đoạn giảm phân. Quá trình sinh sản hữu tính trải qua 3 giai đoạn:
• Tiếp hợp tế bào chất (plasmogamy) với sự hòa hợp 2 tế bào trần
(protoplast) của 2 giao tử
• Tiếp hợp nhân (karyogamy) với sự hòa hợp 2 nhân của 2 tế bào giao tử để

tạo một nhân nhị bội (diploid)
• Giảm phân (meiosis) giai đoạn này hình thành 4 bào tử đơn bội (haploid)
qua sự giảm phân từ 2n NST (nhị bội) thành n NST (đơn bội).
Theo Machlis (1966) tất cả các giai đoạn trên kể cả giai đoạn tạo cơ quan sinh
dục được điều khiển bởi một số kích thích tố sinh dục (sexual hormones).
Cơ quan sinh dục của nấm mốc có tên là túi giao tử (gametangia) có 2 loại: cơ
quan sinh dục đực gọi là túi đực (antheridium) chứa các giao tử đực
(antherozoids), còn cơ quan sinh dục cái gọi túi noãn(oogonium) chứa giao tử
cái hay noãn, khi có sự kết hợpgiữagiao tử đực và noãnsẽ tạo thành bào tử, bào
tử di động được gọi là bào tửđộng(zoospores).
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).
16
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)
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.
b) 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.
17
/> 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 vector là thực khuẩn thể (Bacteriophage).
/>18

Vi khuẩn – đột biến
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.
c) 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.
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.
1.14. Các lực điều khiển sự tiến hóa của tác nhân gây bệnh
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
19
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, 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.
1.15. Đồng tiến hóa giữa gen Avr và gen kháng R
a) 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:
20
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.
21
b) Đồng tiến hóa trong hệ sinh thái tự nhiên
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 một diện tích lớn, chúng thường tồn tại dưới dạng cái gọi
là siêu quần thể (metapopulation). Một siêu quần thể gồm nhiều quần thể phụ có
đặc trưng kháng /độc khác nhau. Do vậy nếu sự cân bằng về tính kháng (ký
chủ)/tính độc (ký sinh) tại một quần thể phụ bị phá vỡ thì một cân bằng mới dễ
dàng được thiết lập do sự di chuyển của tác nhân gây bệnh cũng như sự chuyển
gen của cây ký chủ thông qua giao phấn hoặc phát tán hạt từ các quần thể phụ
lân cận.
KẾT LUẬN.
Nghiên cứu của tiến sĩ Flor trên cây lanh bị bệnh gỉ sắt cho thấy sức đề kháng
trong lanh chiếm ưu thế tính nhạy cảm xảy ra trong nhiều alen. Sau khi thử trên
nhiều chủng nấm Melampsora Lini gỉ sắt lanh, tìm thấy chủng độc với các giống
kháng cùng. Ông cho rằng đối với mỗi giống kháng trong ký chủ đều có một gen
tương ứng điều khiển khả năng bị bệnh của cây.
Giải thích của tiến sĩ Flor giữa sự tương tác di truyền vật chủ-ký sinh đã được
chứng minh là một mô hình quan trọng trong bệnh cây và sự hữu dụng trong sự
sản xuất ra các giống kháng bệnh từ đó cho phép ông suy ra giả thuyết gen đối
gen. Nó đã được sư dụng rộng rãi để giải thích mối quan hệ di truyền trong cây
22
lanh bị bệnh gỉ sắt và trong các bệnh khác, cũng như trong các mối quan hệ cộng
sinh đa dạng như thực vật và côn trùng.
Như vậy, dựa vào thuyết gen đối gen cùng những nghiên cứu liên quan đen
lại bước mở đầu cho công nghệ nghiên cứu chọn tạo giống kháng có khả năng
chống lại tác nhân gây bệnh hiệu quả nhất. Làm nền cho ngành công nghệ sinh

học nghiên cứu chuyên sâu vào gen của cây trồng.

Tài liệu tham khảo
1. PGS. TS. Đỗ Tấn Dũng (chủ biên), 2011, Giáo trình miễn dịch thực vật,
NXB Đại học Nông Nghiệp, Hà Nội.
23
2. />3.
plant-pathology-a248282
4.
24