Thuyết Gen - Đối - Gen

Chương 4. Thuyết Gen - Đối - Gen Thí nghiệm về bệnh gỉ sắt cây đay của Harol Flor Thuyết gen – đối – gen Đặc điểm gen/sản phẩm Avr Đặc điểm gen/sản phẩm R Tương tác Avr – R Đồng tiến hóa Avr - R I Thí nghiệm về bệnh gỉ sắt đay của Flor Harol Henry Flor 1900 - 1991 Nhà kính, văn phòng và phòng thí nghiệm tại North Dakota State University nơi Flor thực hiện các nghiên cứu dẫn tới khái niệm GFG Cây lanh và sản phẩm Cây lanh (flax) (Linum usitatissimum) Dầu lanh Hạt lanh Gía trị dinh dưỡng cao Bệnh gỉ sắt cây lanh do nấm gỉ sắt Melampsora lini Phân loại Họ Melampsoraceae Bộ Uredinales Lớp Urediniomycetes Ngành nấm đảm Basidiomycota Đặc điểm nấm M. lini Vòng đời Là nấm gỉ sắt chu trình lớn (vòng đời đầy đủ hình thành tới 5 loại bào tử: Bào tử đảm – bào tử giống- bào tử xuân- bào tử hạ - và bào tử đông) Là nấm gỉ sắt đồng chủ: hoàn thành vòng đời đầy đủ trên 1 loài cây ký chủ là lanh Đặc điểm nấm M. lini Bào tử đông (2n) Bào tử đảm (n) Khác kiểu ghép cặp (-) & (+) Bào tử giống (n) (+) Bào tử xuân (n+n) Bào tử hạ (n+n) Đặc điểm nấm M. lini Vòng đời Sợi tiếp nhận (n) (-) Vòng đời nấm M. lini trên lanh Telium: ổ bào tử đông Teliospore: bào tử đông Basidium: đảm Basidiospore: bào tử đảm Pycnium: Ổ bào tử giống Pycniospore (spermatium): bào tử giống Aecium: ổ bào tử xuân Aeciospore: bào tử xuân Uredium: ổ bào tử hạ Uredispore: bào tử hạ Nấm M. lini gồm nhiều chủng có tính độc khác nhau Để phân tích di truyền tính độc của nấm, Flor và cộng sự đã tiến hành lai chéo giữa các chủng. Kỹ thuật phân tích lai nấm M. lini của Flor Kỹ thuật lai: Bào tử đông => đảm => bào tử đảm Bào tử đảm => nhiễm riêng rẽ => hình thành các ổ bào tử giống. Bào tử giống (+)/ chủng A được cho giao phối với sợi nấm tiếp nhận (-) của chủng B => F1 là bào tử xuân/hạ Nếu cần F2 tự thụ: bào tử xuân/ hạ F1 được nhiễm riêng rẽ Trên mỗi dòng F1, bào tử giống (+) được cho giao phối với sợi nấm tiếp nhận (-) => bào tử xuân/hạ F2 tự thụ Kỹ thuật phân tích lai nấm M. lini của Flor Các thí nghiệm của Flor 1942 Chủng số 6 X Chủng 22 67 F2 Thử trên 12 giống 57 kiểu hình 3 không độc : 1 độc Kiểu hình của 2 chủng khác nhau trên 12 giống Kiểu hình không độc là trội Các thí nghiệm của Flor 1946 Chủng số 24 X Chủng 22 133 F2 Thử trên 14 giống 68 kiểu hình kháng nhiễm 3/1 trên 9 giống mang 1 gen kháng 15/1 trên 2 giống mang 2 gen kháng 63/1 trên 1 giống mang 3 gen kháng. Các thí nghiệm của Flor 1946 Ví dụ Giống Race 24 Race 22 F1 F2 Ottawa 770B K N K N K 32 101 Nấm K = kháng; N = nhiễm Tỷ lệ K : N 3 : 1 Bombay K N K 28 105 3 : 1 Các thí nghiệm của Flor 1955 Sử dụng lại 67 con lai F2 (1942) Thử trên 32 giống, phần lớn là đơn gen 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. Đa số các cặp không độc/độc là khác nhau vì chúng phân ly độc lập với nhau Các thí nghiệm của Flor Kết luận của Flor 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 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 Các gen qui định tính kháng của cây và tính không độc của nấm các gen trội. II Khái niệm gen-đối-gen Flor đã viết (1971) ” 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”. Khái niệm gen – đối - gen Điều chỉnh nhỏ “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” “for each gen determining resistance in the host there is a corresponding gen for avirulence in parasite with which it specifically interacts” Khái niệm gen – đối - gen Gen ký chủ qui định tính kháng => gọi chung là gen R (Resistance). Gen ký sinh qui định tính không độc => gọi chung là gen Avr (Avirulence). Các ký hiệu R hoặc Avr => trội r hoặc avr => lặn Các chữ số viết kèm theo (nếu có) => sự tương ứng Khái niệm gen – đối - gen Mỗi hệ ký sinh – ký chủ, người ta thường dùng ký hiệu riêng. Khái niệm gen – đối - gen Phần lớn quan hệ gen-đối-gen là quan hệ trội-trội có nghĩa đối với cây ký chủ, gen qui định tính kháng là gen trội (R) đối với ký sinh, gen qui định tính không độc là gen trội (Avr) => Cả gen kháng của ký chủ và gen không độc của ký sinh đều phải được biểu hiện để tạo ra tính kháng. Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen 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. Ví dụ: Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Cây (R1, r2, r3) Ký sinh (Avr1, Avr2, Avr3) Cây (R1, r2, r3) Ký sinh (avr1, Avr2, Avr3) Kháng Nhiễm R- A- rr A- R- aa rr aa Không có tương tác: cây bị bệnh Có tương tác: cây kháng bệnh Cơ chế: Xét một cặp gen của cây lanh và nấm gỉ sắt: Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Kiểu gen ký chủ AA Aa aa RR Rr rr K K K K N N N N N Kiểu gen ký sinh Xét 1 gen Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Kiểu gen ký chủ Kiểu gen ký sinh Xét 1 gen R- rr A- aa K N N K Câu hỏi 1: Xác định tình trạng kháng nhiễm trong mỗi ô? ‘R’, ‘A’ = active product present ‘?’, ‘a’, ‘r’ = active product absent Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Câu hỏi 1: Xác định tình trạng kháng nhiễm trong mỗi ô? Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen 3 giống, mỗi giống có 1 gen R sẽ phân biệt được 8 races (23) 10 giống, mỗi giống có 1 gen R sẽ phân biệt được 1024 races (210) Đặc điểm quan hệ gen – đối - gen Câu hỏi 2: Xác định số chủng ký sinh tối đa Số race = 2n (n = số gen R) 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 quan hệ gen – đối - gen III Đặc điểm gen Avr 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. Đặc điểm gen Avr Đặc điểm gen Avr Nhìn chung, protein Avr chia sẻ ít đặc điểm chung với nhau. Một số đại diện Avr gen/protein là: Họ gen AvrBs3 của vi khuẩn Xanthomonas Gen AvrPto của vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato Các gen Avr của nấm Các gen Avr của virus Đặc điểm gen Avr Họ gen AvrBs3 Khoảng 40 gen Phần lớn của chi Xanthomonas Protein: chuỗi lặp gồm 34 aa ở vùng trung tâm, dấu hiệu nhập nhân + 1 vùng hoạt hóa phiên mã ở đầu C => hoạt động trong nhân và tương tác với quá trình phiên mã của tế bào ký chủ Đặc điểm gen Avr Họ gen AvrBs3 Vd: AvrXa27 tương tác với promotor của gen kháng Xa27 (trong nhân tế bào) => hoạt hóa phản ứng siêu nhạy Nhân Gen Avr của virus Các gen Avr thường liên quan đến 1 protein chức năng của virus. Ví dụ: protein tái sinh (Replication protein) của Tobacco mosaic virus –TMV là gen không độc tương ứng với gen kháng N trong cây thuốc lá Đặc điểm gen Avr IV Đặc điểm gen kháng R Đặc điểm gen kháng R Rất nhiều gen kháng R của cây đã được xác định Các gen kháng 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 Đặc điểm gen kháng R Phân loại protein kháng R 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. Pto (một đại diện) CNL (CC-NB-LRR) TNL (TIR-NB-LRR) Cf (chỉ có đại diện Cf) Xa21 (một đại diện) Chiếm số lượng nhiều nhất Đặc điểm gen kháng R Cấu trúc 2 lớp gen kháng TNL và CNL Vách tế bào Màng tế bào cytoplasm TIR LRR N, L6 CC NBS Pi-ta Cf-2, 4, 5, 9 LRR kinase Pto kinase Xa21 Đặc điểm gen kháng R Vị trí các đại diện 5 lớp gen kháng trong tế bào V. Tương tác Avr – R VI. Đồng tiến hóa Avr – R (Bài sau)