Sự phòng vệ của thực vật chống lại mầm bệnh và động vật ăn thực vật

Thực vật phải đối mặt với sự tấn công liên tục từ vi sinh vật và động vật, và chúng tự bảo vệ bằng các hàng rào phân lớp, một hệ thống miễn dịch cảm ứng, và vũ khí hóa học — những cơ chế phòng vệ mà di truyền học của chúng củng cố khả năng kháng bệnh trong nông nghiệp.

Definition

Phòng vệ thực vật là tập hợp các cơ chế cấu trúc, hóa học và phân tử mà thực vật sử dụng để chống lại hoặc hạn chế thiệt hại từ mầm bệnh và động vật ăn thực vật.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cơ chế phòng vệ cấu tạo và cảm ứng của thực vật, hệ thống miễn dịch hai lớp của thực vật chống lại mầm bệnh, mô hình gen-đối-gen của sự kháng bệnh, các cơ chế phòng vệ chống lại động vật ăn thực vật bao gồm các chất xua đuổi hóa học và các cơ chế phòng vệ gián tiếp, và cách thức đa dạng phòng vệ được sử dụng trong bảo vệ cây trồng.

Core questions

• Hệ thống miễn dịch thực vật nhận biết và phản ứng với mầm bệnh như thế nào?
• Cơ sở gen-đối-gen của sự kháng bệnh là gì?
• Thực vật tự bảo vệ chống lại động vật ăn thực vật như thế nào, trực tiếp và gián tiếp?

Key theories

Miễn dịch thực vật hai lớp

Thực vật phát hiện các phân tử vi sinh vật được bảo tồn trên bề mặt tế bào để tạo lớp miễn dịch đầu tiên và sử dụng các thụ thể nội bào để nhận diện các yếu tố gây bệnh của mầm bệnh cho lớp thứ hai, mạnh hơn, thường kết thúc bằng sự chết tế bào cục bộ.

Kháng bệnh gen-đối-gen và đa dạng

Sự kháng bệnh thường tuân theo mối quan hệ gen-đối-gen giữa một gen kháng bệnh của thực vật và một gen không độc lực của mầm bệnh, và việc triển khai đa dạng kháng bệnh trên cây trồng có thể ngăn chặn bệnh tật trên đồng ruộng.

Mechanisms

Miễn dịch thực vật bắt đầu khi các thụ thể nhận dạng mẫu trên bề mặt phát hiện các mẫu phân tử liên quan đến vi sinh vật được bảo tồn, kích hoạt các cơ chế phòng vệ cơ bản. Các mầm bệnh thành công sẽ đưa các yếu tố gây bệnh (effectors) vào để ngăn chặn phản ứng này, nhưng thực vật mang các thụ thể gắn nucleotide giàu leucine lặp lại (nucleotide-binding leucine-rich-repeat receptors) nội bào nhận diện các yếu tố gây bệnh đặc hiệu — cơ sở phân tử của sự kháng bệnh gen-đối-gen — và tạo ra một phản ứng mạnh mẽ thường bao gồm phản ứng chết tế bào quá mẫn (hypersensitive cell-death reaction) và kháng bệnh toàn thân thu được (systemic acquired resistance). Chống lại động vật ăn thực vật, thực vật triển khai các hàng rào vật lý và các chất chuyển hóa thứ cấp độc hại hoặc xua đuổi, và có thể giải phóng các chất bay hơi thu hút kẻ thù tự nhiên của động vật ăn thực vật đang tấn công.

Clinical relevance

Bệnh thực vật và thiệt hại do sâu bệnh gây ra những tổn thất lớn cho cây trồng, vì vậy việc hiểu biết về cơ chế phòng vệ là nền tảng cho việc lai tạo các giống kháng bệnh và các chiến lược tổng hợp — bao gồm việc triển khai đa dạng di truyền — giúp giảm sự phụ thuộc vào thuốc trừ sâu trong khi vẫn bảo vệ năng suất.

History

Flor đã xây dựng giả thuyết gen-đối-gen từ các nghiên cứu về bệnh gỉ sắt trên cây lanh vào những năm 1940 và 1950; việc nhân bản phân tử các gen kháng bệnh và sự nhận biết sau này về một hệ thống miễn dịch hai lớp, cùng với các nghiên cứu thực địa về kiểm soát dựa trên đa dạng, đã xây dựng nên sự hiểu biết hiện đại về phòng vệ thực vật.

Key figures

• Harold Flor
• Jonathan Jones
• Jeffery Dangl

Seminal works

• buchanan2015
• zhu2000

Frequently asked questions

Thực vật có hệ thống miễn dịch không?

Có; mặc dù thực vật thiếu các tế bào miễn dịch di động và kháng thể, chúng sở hữu một hệ thống miễn dịch bẩm sinh nhận diện mầm bệnh thông qua các thụ thể trên bề mặt tế bào và nội bào, và phản ứng bằng các cơ chế phòng vệ bao gồm chết tế bào cục bộ và kháng bệnh toàn thân.

Làm thế nào việc trồng các giống cây đa dạng có thể giảm bệnh cây trồng?

Việc trộn lẫn các giống cây có khả năng kháng bệnh khác nhau hạn chế sự lây lan của mầm bệnh, bởi vì một chủng có khả năng lây nhiễm một giống cây sẽ gặp phải các cây kháng bệnh ở gần; các thí nghiệm thực địa trên lúa cho thấy sự đa dạng như vậy có thể giảm đáng kể bệnh tật và nhu cầu sử dụng thuốc diệt nấm.