Sự xâm nhiễm của nấm Phytopthora spp vào thực vật

KHOA HỌC KỸ THUẬT 25 S Ố 0 6 N Ă M 2 0 19Sự xâm nhiễm của nấm Phytopthora spp vào thực vật TRẦN THỊ YẾN NGỌC Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển cây Hồ tiêu Giống Phytopthora là tác nhân gây bệnh thực vật ký sinh chuyên tính trên tồn thế giới. Tên giống Phytopthora được xuất phát từ tiếng Hy Lạp, với từ “phyto” là thực vật và “phthora” là kẻ huỷ diệt. Phytopthora cĩ nghĩa là “kẻ huỷ diệt thực vật”. Cĩ trên 120 lồi Phytopthora được biết đến và tất cả đều là mầm bệnh thực vật. Chúng xâm nhiễm vào các mơ chủ khác nhau như rễ, củ, thân cây thân thảo, thân gỗ, tán lá và quả. Phytopthora phát triển các giai đoạn tế bào khác biệt trong chu kỳ sống để sinh tồn, phát tán hoặc xâm nhiễm và chúng cĩ những con đường chuyển hố sinh học khác với nấm thật. Việc hiểu rõ sự xâm nhiễm của Phytopthora vào tế bào thực vật cĩ thể giúp kiểm sốt được sự tàn phá của những “kẻ huỷ diệt thực vật” này [1], [4], [5]. 1. Đặc điểm chung của giống Phytopthora - Phân loại giống Phytopthora [1] Giới: Chromista Ngành: Oomycota Lớp: Oomycetes Bộ: Peronosporales Họ: Pythiaceae Giống (Chi): Phytopthora - Phytopthora cĩ thể tạo ra những cấu trúc sinh tồn khác nhau trong tế bào vật chủ bị xâm nhiễm. Những cấu trúc này cĩ thể chịu được điều kiện khơ hạn và tồn tại trong những phần rễ chết hoặc trong đất. Khi cĩ sự kích thích hố học thích hợp (các phân tử đường, amino acid, hợp chất phenolic), điều kiện mơi trường ẩm ướt và dịch tiết từ rễ, các cấu trúc này sẽ tạo ra những sợi nấm cĩ thể xâm nhiễm trực tiếp vào rễ hoặc tạo ra những bào tử để phát tán [1], [11], [12]. - Tuỳ thuộc vào lồi chúng cĩ thể tồn tại và sinh sản ở hình thức khác nhau. Phytopthora sinh sản bằng 3 hình thức: Sinh sản sinh dưỡng, sinh sản vơ tính, sinh sản hữu tính (ít phổ biến hơn 2 hình thức cịn lại) [1], [2]. + Sinh sản sinh dưỡng: Phytopthora tồn tại ở dạng bào tử ngủ (Chlamydospores). Đây là một dạng tồn tại trong điều kiện khơng thuận lợi của mơi trường (khơ/nĩng). Khi gặp điều kiện ẩm ướt, chúng sẽ hình thành túi bào tử (Sporangium). + Sinh sản vơ tính: Hình thức sinh sản bắt đầu ở dạng túi bào tử (Sporangium). Túi bào tử được phát tán bởi giĩ hoặc nước. Sự nảy mầm của bào tử cĩ thể xảy ra theo 2 cách: Nảy mầm trực tiếp ở nhiệt độ cao 20-300C (hình thành sợi nấm xâm lấn), nảy mầm gián tiếp ở nhiệt độ <150C (phát tán bào tử động). + Sinh sản hữu tính: Sự kết hợp của các giao tử cĩ sợi âm (oogonium) và sợi dương (antheridium) tạo ra loại bào tử dị hợp (oospores) hay cịn gọi là bào tử nỗn. Giống như Chlamydospores khi gặp điều kiện ẩm ướt chúng sẽ nảy mầm tạo túi bào tử (Sporangium). Hình 1: Sơ đồ hình thức sinh sản Phytopthora spp KHOA HỌC KỸ THUẬT26 T Ạ P C H Í K H O A H Ọ C C Ơ N G N G H Ệ V À M Ơ I T R Ư Ờ N G tiếp bằng cách tạo ống mầm đa nhân và những bào tử động khơng được thành lập ở hình thức này [1], [2]. Ống mầm phát triển trên bề mặt thực vật cho đến khi phát triển thành appressoria. Appressoria là một loại tế bào chuyên biệt của nấm, là cấu trúc sưng ở cuối ống mầm gắn vào tế bào thực vật sắp bị xâm nhiễm. Sau khi bào tử được gắn và nảy mầm trên bề mặt cây ký chủ, ống mầm này sẽ nhận biết các dấu hiệu vật lý như độ cứng và tính kỵ nước của bề mặt tế bào ký chủ, cũng như các tín hiệu hĩa học để kích hoạt sự hình thành appressoria. Khi đầu ống mầm ngừng tăng trưởng và bắt đầu sưng lên, tất cả thành phần của bào tử nấm được vận chuyển vào appressoria đang phát triển, một vách ngăn được tạo ở cổ của appressoria, và ống mầm của bào tử chết. Khi appressoria trưởng thành, nĩ trở nên bám chắc vào bề mặt thực vật và khi áp lực trương nước Turgor tăng lên bên trong appressoria, một sợi nấm xâm nhập nổi lên và được đâm qua lớp biểu bì thực vật vào các tế bào biểu bì bên dưới. Sợi nấm tiếp tục được hình thành trong khoảng gian bào và nội bào thơng qua tế bào chết. Mầm bệnh tiết ra enzyme và độc tố giết chết tế bào chủ một cách nhanh chĩng [3], [13]. 2.2. Rễ bị xâm nhiễm - Quá trình xâm nhiễm cũng giống như xâm nhiễm vào lá. Trong điều kiện thuận lợi, bào tử được tạo ra trên bề mặt của rễ bị nhiễm bệnh hoặc từ các bào tử ngủ như chlamydospores và oospores [11].Tùy vào điều kiện mơi trường xâm nhiễm mà bào tử nảy mầm trực tiếp hoặc gián tiếp. Khi xâm nhiễm vào lớp ngoại bì chúng cũng hình thành nhiều giác mút haustoria để hút dinh dưỡng (hình thức Biotrophy), trong quá trình phát triển bên trong khoảng khơng gian giữa các tế bào, nếu cĩ xuất hiện các tế bào nội bì bị hoại tử hoặc tế bào thiếu dinh dưỡng, mầm bệnh sẽ tấn cơng tiết ra enzyme và độc tố để phân hủy tế bào và thành tế bào, giết chết tế bào sống sau đĩ sống hoại sinh trên tế bào đã chết đĩ (hình thức Hemibiotrophy). Phytophthora giết chết các tế bào chủ mà nĩ xâm nhiễm cũng như các tế bào lân cận. Trong vịng một ngày hoặc ít hơn, các sinh vật thứ cấp cũng cĩ thể xâm chiếm và bắt đầu làm suy giảm các mơ rễ và gây chết [1], [11], [10]. 2. Sự xâm nhiễm của Phytopthora 2.1. Lá bị xâm nhiễm Túi bào tử tự do được phát tán bởi giĩ hoặc nước sẽ nảy mầm theo 2 hình thức: nảy mầm gián tiếp, nảy mầm trực tiếp tùy vào điều kiện mơi trường. - Nảy mầm gián tiếp: Khi ở điều kiện nhiệt độ thấp (< 150C) và độ ẩm cao, bào tử động được phát tán cho đến khi gặp được bề mặt của ký chủ. Bào tử nấm bị thu hút bởi kích thích hố học và liên kết tĩnh điện của bề mặt của cây chủ. Tại thời điểm này chúng sẽ rụng roi và bao bào nang (encystment) bám chắc vào bề mặt của thực vật thơng qua việc bài tiết các phân tử bám dính [10]. Sau khi xâm nhập vào tế bào chủ, 1 túi hình cầu được tạo ra ở lớp biểu bì, tại đây sợi nấm tiếp tục được hình thành trong khoảng khơng gian giữa các tế bào của vật chủ. Haustoria hay cịn gọi là giác mút được hình thành và hấp thu chất dinh dưỡng từ tế bào ký chủ [6], [7], [8], [9]. Khi xâm nhập, haustoria làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với màng tế bào ký chủ giải phĩng các enzyme phá vỡ thành tế bào nhưng vẫn giữ nguyên màng để tạo điều kiện trao đổi chất dinh dưỡng, cho phép carbon hữu cơ di chuyển từ vật chủ sang nấm [14]. Ngồi ra, mầm bệnh cịn lây nhiễm trên lá qua lỗ khí khổng, sau đĩ hình thành appressoria để xâm nhập vào thịt lá ở bên dưới và từ đĩ khơng tạo appressoria nào khác mà tiếp tục hình thành giác mút haustoria để hút dinh dưỡng [10]. Với hình thức xâm nhiễm này, tế bào chủ khơng bị tiêu diệt nhanh chĩng nhưng cĩ thể gây chết tế bào vì tế bào quá mẫm cảm với những tương tác khơng tương thích [14]. Sau khi phát triển ở hình thức trên mầm bệnh tiếp tục chuyển sang giai đoạn Necrotrophy-ký sinh hoại tử trên tế bào bị tổn thương và giết chết tế bào sống, phá huỷ tế bào. Trong điều kiện thuận lợi, nhiều bào tử nấm sẽ được phát tán từ khí khổng của cây bị xâm nhiễm và tạo ra một số lượng lớn bào tử. Chúng một lần nữa được phát tán bởi giĩ và lây nhiễm các vật chủ mới. - Nảy mầm trực tiếp: Ở nhiệt độ cao và điều kiện khơ ráo (20-300C), bọc bào tử bắt đầu hoạt động như bào tử riêng lẻ. Bào tử nấm xâm nhập thơng qua vết thương cơ giới và nảy chồi trực KHOA HỌC KỸ THUẬT 27 S Ố 0 6 N Ă M 2 0 19- Phytopthora thường tấn cơng theo hình thức Hemibiotrophy (giai đoạn đầu khi xâm nhập là Biotrophy, sau đĩ là Necrotrophy) [10]. + Biotrophy: mầm bệnh xâm nhiễm tạo giác mút hấp thu chất dinh dưỡng, mầm bệnh được tế bào chủ kiểm sốt bởi những gen kháng đặc hiệu [3]. + Necrobiotrophy: mầm bệnh sống hình thức cạnh tranh dinh dưỡng, lấy nguồn dinh dưỡng bằng cách phân huỷ chất hữu cơ, xâm nhập và tiêu diệt mơ thực vật bằng enzyme và độc tố, tế bào chủ bị giết nhanh chĩng. Mầm bệnh được tế bào thực vật kiểm sốt bởi các gen kháng định lượng, khơng đặc hiệu [3], [10]. 3. Giải pháp ngăn ngừa sự xâm nhiễm Sự phát triển của bệnh cần phải cĩ sự liên kết thuận lợi của 3 yếu tố: cây chủ - mầm bệnh – mơi trường [11]. Trong điều kiện thuận lợi, mầm bệnh cĩ thể sinh sản nhiều lần bằng phương pháp vơ tính trong một mùa sinh trưởng. Với tốc độ xâm nhiễm nhanh chĩng trên mơ bệnh trong vịng 3-5 ngày nhiễm bệnh và khả năng tạo những cấu trúc tồn tại chuyên biệt để chờ điều kiện thuận lợi phát triển, bệnh do Phytopthora gây nên rất khĩ kiểm sốt và rất dễ tạo thành dịch. Vì các bào tử động được phát tán nhờ giĩ hoặc nước nên việc đào mương thốt nước và hạn chế ngập úng là biện pháp làm giảm sự phát tán và lây lan bào tử động. Việc hạn chế những tác động cơ học gây tổn thương cây, đặc biệt là rễ cũng ngăn ngừa sự xâm nhiễm. Sử dụng phân bĩn hữu cơ giúp cho đất tơi xốp, đây là điều kiện cần thiết cho bộ rễ sinh trưởng tốt, ngồi ra cịn cung cấp lượng lớn vi sinh vật vào trong đất, tạo cân bằng sinh học cho vùng đất./. Chú thích: (a) cấu trúc sinh sản vơ tính điển hình của Phytophthora (b) cấu trúc lá bị xâm nhiễm (màu vàng: tế bào bị xâm nhiễm bằng hình thức Biotrophy; màu xám: tế bào đã chết bị xâm nhiễm bằng hình thức Necrotrophy) (c) cấu trúc rễ bị xâm nhiễm (giai đoạn đầu thịt vỏ bị xâm nhiễm bằng hình thức Biotrophy, sau đĩ sợi nấm tiếp tục xâm nhiễm vào nội bì và hệ mạnh bằng hình thức Necrotrophy) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Vĩnh Trường (2015). “Giống Phytopthora: Tác nhân gây bệnh nguy hiểm ở thực vật”.Tạp chí bảo vệ thực vật. Số 3, tr. 47 - 50. 2. Nguyễn Văn Bá, Cao Ngọc Diệp, Nguyễn văn Thành (2005). Giáo trình mơn Nấm học, Viện Nghiên cứu và Phát triển Cơng nghệ Sinh học. 3. David Moore, Geoffrey D. Robson and Anthony P. J. Trinci (2019). 21st Century Guidebook to Fungi,  SECOND EDITION 4. Martin F.N., Blair J.E., Coffey M.D. (2014). A combined mitochondrial and nuclear multilocus phylogeny of the genus Phytophthora. Fungal Genet Biol66:19–32. 5. Hardham A.R. (2007). Cell biology of plant–oomycete interactions. Cell Microbiol 9:31–39. 6. Hohl H.R., Stưssel P (1976). Host–parasite interfaces in a resistant and a susceptible cultivar of Solanum tuberosum inoculated with Phytophthora infestans: tuber tissue. Can J Bot 54:900–912. 7. Hohl H.R., Suter E. (1976). Host–parasite interfaces in a resistant and a susceptible cultivar of Solanum tuberosum inoculated with Phytophthora infestans: leaf tissue. Can J Bot 54:1956–1970. 8. Whisson S.C., Boevink P.C., Moleleki L., Avrova A.O., Morales J.G., Gilroy E.M., Armstrong M.R., Grouffaud S., van West P., Chapman S. (2007). A translocation signal for delivery of oomycete effector proteins into host plant cells. Nature 450:115–118. 9. Avrova A.O., Boevink P.C., Young V., Grenville-Briggs L.J., van West P., Birch P.R., Whisson S.C. (2008). A novel Phytophthora infestans haustorium-specific membrane protein is required for infection of potato. Cell Microbiol 10:2271–2284. 10. Stuart Fawke, mehdi Doumane, Sebastian Schornack (2015). Oomycete Interactions with Plants: Infection Strategies and resistance Principles. In Microbiology and Molecular Biology Reviews, pp. 263-266. 11. Tedmund Swiecki and Elizabeth Bernhardt (2016) Plant Nursery Conditions Favor Phytophthora Root Rots, Phytosphere Research 12. Franck P., Gul S.L., Mohamed B.A, Ronaldo J.D.D, Neil C.G., Marie-Line K., Sạnoy G. R, Leonardo S. and Antonios Z. (2016). Phytophthora nicotianae diseases worldwide: new knowledge of a long-recognised pathogen; 55, 1, 20-40. 1 3 . Vi n ce l l i , P. ( 2 0 0 1 ) . Cy to l o g y o f Fu n g a l Infection. The Plant Health Instructor. DOI: 10.1094/ PHI-I-2001-0618-01 Updated 2006. 14. Whisson SC1,  Boevink PC1, Wang S2,  Birch PR3. (2016). The cell biology of late blight disease 34:127-135. doi: 10.1016/j.mib.2016.09.002. Hình 2: Sự xâm nhiễm của Phytopthora