Tính đa dạng di truyền của nấm bệnh đạo ôn lúa trong một vườn ươm bệnh tại Colombia

(Genetic Diversity of the Rice Blast Fungus in a Disease Nursery in Colombia)

Moris Levy, Fernando J. Correa-Victoria

Accepted for pulication 7 September 1993


Người dịch: Chu Hữu Tín

E-mail: chuhuutin@khoahoc.net

18 tháng 09 năm 2006

Phải có sự đồng ý của tác giả cũng như ghi rõ nguồn "www.khoahoc.net" khi bạn phát hành lại thông tin từ website này 

Tóm tắt

Chúng tôi xác định DNA Fingerprints và những kiểu bệnh nhờ vào bộ bộ giống khác biệt quốc tế cho 151 chủng nấm bệnh cháy lá Pyricularia grisea, được thu gom từ 15 giống lúa trồng trong một nương mạ đạo ôn ở Santa Rosa- Colombia. Quần thể bệnh thể hiện một số lượng cao bất thường các kiểu bệnh. DNA fingerprinting, bằng cách dùng chuỗi rep -DNA của P. grisea là MGR586, đã nhận diện 115 kiểu cá thể (haplotypes) được phân chia thành 6 dòng dõi phân biệt di truyền riêng biệt. Mức trung bình đồng nhất di truyền bên trong dòng dõi thì cao, khoảng 92-98%. Mức trung bình đồng nhất giữa các dòng dõi là từ 37-85%. Mỗi dòng dõi được liên kết với một quần thể nhỏ (bộ phụ, nhóm phụ) giống trồng chuyên biệt (chuyên tính) và đã thể hiện một bộ phụ của kiểu bệnh thường không gối lên nhau (nonoverlapping). Điển hình là, những kiểu bệnh bên trong một dòng dõi có quan hệ chặt với phổ gây bệnh, khác biệt do sự sai khác về tính tương hợp đơn trên một bộ phụ các giống khác biệt quốc tế đặc biệt. Các tập hợp kiểu bệnh và giống trồng cho thấy những dòng dõi thể hiện phổ tính độc phân kỳ về mặt lịch sử. Phân tích MGR -DNA fingerprint cũng giải đoán được các tập hợp dòng dõi của 31 chủng mà kiểu bệnh của chúng đã có thể không được chấm điểm, thí dụ, những chủng không độc trên tất cả các giống khác biệt quốc tế. Phân tích MGR -DNA fingerprint tạo ra khung phả hệ dọc (genealogy: phả hệ dọc) để đánh giá mức biến đổi mầm bệnh là cần cho sự hiểu biết dịch bệnh học và tiến hoá của mầm bệnh. Phương pháp phân tích này có thể là hũu ích một cách đặc biệt để chọn lọc các nguồn gen (germ plasm) cho lai tạo tính kháng cháy lá bền vững hơn.

Bệnh cháy lá là một bệnh gây thiệt hại và phổ biến của lúa trồng do nấm Pyricularia grisea Sacc. (dạng hoàn toàn: Magnaporthe girsea Barr.) Pyriculria grisea được chú ý đối với sự thể hiện rất nhiều dạng tính độc tố hoặc kiểu gây bệnh, đặc biệt trong vùng đất rẫy có mưa ở đó môi trường thích hợp nhất cho sự phát triển dịch bệnh. Đối với hầu hết những diện tích độc canh lúa tại châu Á, châu Phi và Nam Mỹ, việc quản lý bệnh cháy lá dựa vào sự du nhập thường xuyên của những giống lúa trồng kháng mới. Tuy nhiên, tính kháng cháy trong những vùng này hiếm có hiệu quả lâu dài hơn 2 hoặc 3 năm. Không biết có phải là khả năng của mầm bệnh để khắc phục giống kháng phản ánh sự xê dịch tần số của các kiểu gây bệnh hiếm trước kia hoặc là do sự xuất hiện thường xuyên những thay đổi di truyền thành những dạng tính độc mới hay là một phối hợp của cả hai hiện tượng hay không. Vì vậy, thông tin di truyền chi tiết về cấu trúc quần thể là thiết yếu để hiểu biết động lực tính độc tố của mầm bệnh và tạo ra nhiều hơn phương pháp hiệu quả để giảm ảnh hưởng (tác động) của bệnh cháy lá.

Trên đồng ruộng, P. grisea sinh sản vô tính. Mặc dù giai đoạn sinh sản hữu tính có thể được chứng minh trong phòng Lab, phần lớn các chủng ngoài đồng là vô sinh. Vì vậy, một quần thể nấm bệnh cháy lá có thể được nhìn nhận như là tập hợp những dòng vô tính, và những dòng dõi vô tính, mỗi dòng có một phổ riêng biệt của những đặc tính độc tố. Công cụ duy nhất để mô tả đặc điểm tính đa dạng độc tố này đã là một thí nghiệm khả năng gây bệnh. Thí nghiệm phân loại các chủng thành các kiểu bệnh (pathotype) bằng các triệu chứng bệnh do chúng gây ra trên mỗi giống của một bộ giống lúa kháng khác biệt. Những kết quả thí nghiệm có thể bị ảnh hưởng mạnh bởi điều kiện và tuổi ký chủ, chất lượng nguồn chủng và những thay đổi môi trường trong suốt thời gian thí nghiệm. Hơn nữa, nhiều chủng có thể gây ra một khoảng cách phản ứng nhiễm trung gian bởi một hay nhiều giống khác biệt, làm cho việc chấm điểm thí nghiệm khó và có tính  chủ quan. Dù cho một bộ tám giống khác biệt quốc tế đã được thiết lập để tiêu chuẩn hoá những thí nghiệm, điều này trở thành rõ là bộ này không thể giải đoán mọi đa dạng kiểu bệnh xuất hiện trong nhiều vùng chuyên canh lúa. Cuối cùng, thử nghiệm chủ yếu là kiểu hình, quan hệ di truyền của các kiểu bệnh, và tính đa dạng độc tố của những dòng dõi vô tính không thể xác định một cách trực tiếp.

Gần đây, một mẫu dò DNA đã được phát triển lai tạo có thể tin cậy và riêng biệt với DNA của loài nấm bệnh cháy lá. Mẫu dò gồm có 1 đoạn vô tính của DNA sao mã (cloned fragment of repeated DNA) nhận được từ một bộ genome của loài nấm gây bệnh cháy lá và được gọi là MGR586 (trước đây được xem như là pCB586). Mẫu dò này khám phá đặc tính genome của khoảng 50-60 EcoRI -RFLPs trong số các chủng của các tác nhân gây bệnh cháy lá. Trái lại, mẫu dò điển hình khám phá chỉ 1 tới một vài đoạn gien giới hạn trong các chủng P.grisea lây bệnh trên các loại cỏ khác. Bản đồ di truyền đã chứng minh là MGR586 -RFLPs phân tán trên tất cả các nhiễm thể của mầm gây bệnh trên lúa và phân ly như các locus di truyền. Ngoài ra, liên kết di truyền đã được chứng minh giữa một RFLP như thế và một gien không độc tố chuyên tính giống trồng. Do đó, một đặc tính của MGR586 -RFLP mô tả kiểu gene đa locus rộng lớn, về mặt thông tin tương đương với kiểu đơn RFLP phức hợp của các vùng cắt sườn 50-60 kb phân tán, các chuỗi gien copy đơn có thể sử dụng như một chỉ số phả hệ dọc trong số các chủng loài nấm gây bệnh cháy lá. Chúng tôi có tham khảo những kiểu cá thể này như MGR -DNA fingerprint và dùng chúng để định rõ tính chất cấu trúc quần thể và tổ chức kết hợp của biến đổi kiểu bệnh trong tác nhân gây bệnh cháy lá lúa.

MGr-DNA fingerprinting đầu tiên đã được dùng để khảo sát đa dạng di truyền của một lần lấy mẫu lịch sử quần thể tác nhân gây bệnh cháy lá lúa tại Hoa Kỳ. Mẫu bao gồm 79 chủng thu gom từ những ruộng lúa trên khắp vành đai lúa miền Nam nước Mỹ từ 1959-1988. Nói chung, những dòng chủng cho thấy tám kiểu gây bệnh U.S. được quan sát thường nhất. MGR -DNA fingeprints phân chia các dòng chủng thành 8 dòng dõi di truyền riêng một cách riêng rẽ.  Mỗi dòng dõi được gắn kết với chỉ 1 hay 2 kiểu bệnh, hầu hết chúng là những dòng dõi chuyên tính. Những kết quả này ngụ ý là bệnh cháy lá tại USA được gây ra bởi một tập hợp những dòng vô tính riêng biệt của tác nhân gây bệnh, với mỗi dòng có các đặc trưng tính độc kiểu mẫu hình như được giữ lại trong thời gian hơn 30 năm. Thông thường hơn, những kết qủa này đã sưu tầm tài liệu về tính hữu dụng của phân tích phả hệ để giải đáp cấu trúc quần thể của tác nhân gây bệnh và lộ trình phát sinh nòi giống của sự tiến hoá mầm bệnh. Tuy nhiên, báo cáo mức độ đa dạng mầm bệnh cao hơn một cách đột ngột trong các vùng chuyên canh lúa khác gợi ý là cấu trúc quần thể dòng vô tính và quan hệ gần giữa dòng dõi MGR -DNA fingerprint và mầm bệnh đã quan sát tại US có thể sẽ không áp dụng rộng rãi.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng MGR -DNA fingerprinting và phân loại kiểu bệnh để khảo sát cấu trúc quần thể và đặc tính của tính độc tố có kết hợp của loài nấm gây bệnh cháy lá trong thiết lập hệ sinh thái (ecological setting) là tương phản sắc nét với sự thiết lập tại Hoa Kỳ, ấy là “điểm nóng” (hot spot) bệnh cháy lá đã được dùng như là nương mạ lai tạo giống kháng. Báo cáo này là bài thứ 3 trong 1 loạt bài về các nghiên cứu đa dạng mầm bệnh đang tiến hành và triển khai gien kháng tại điểm này. Nương mạ là một bộ phận của trạm thực nghiệm Santa Rosa, nằm trong địa phương bệnh cháy lá, vùng đất rẫy miền trung Colombia. Cánh đồng lúa Santa Rosa được quản lý để tạo thuận lợi cho phát triển bệnh cháy lá và tối đa hoá đa đạng mầm bệnh. Trong diện tích 30 ha này, điều kiện thời tiết lý tưởng và gieo trồng thường xuyên nhiều bộ giống nhiễm bệnh mãn tính (chronic), hỗ trợ mức độ dịch hại của bệnh cháy lá trong mùa vụ 270 ngày. Quần thể nấm bệnh cháy lá địa phương bao gồm hơn 40 kiểu bệnh hoặc nhiều hơn 5 lần kiểu bệnh điển hình đã tìm thấy trên khắp nước Mỹ.

Vấn đề chính chúng tôi đã nói đến là hoặc mức độ đa dạng tính độc tố tại Santa Rosa cao nhiều hơn đã phản ảnh một gia tăng đồng thời tính đa dạng dòng dõi hay là một tổ chức phức tạp hơn của tập hợp dòng dõi - kiểu bệnh (lineage-pathotype). Kết quả của chúng tôi chứng minh là tính đa dạng độc tố trong quần thể Santa Rosa được tổ chức có thứ bậc vào 6 dòng dõi vô tính riêng biệt, mỗi dòng với dãy cây trồng nói chung không chồng chéo nhau và một bộ có liên kết nhiều kiểu bệnh liên quan. Như nghiên cứu đầu tiên về tổ chức di truyền trong quần thể giàu kiểu bệnh của P. grisea, Phân tích của chúng tôi cũng tạo cho chúng tôi một cái nhìn thoáng qua lộ trình có thể biến đổi kiểu bệnh và cho phép chúng tô giả định về phương pháp nhân giống có thể sẽ là hiệu quả hơn để kiểm soát bệnh cháy lá. Cuối cùng kết quả của chúng tôi chứng minh là phân tích phả hệ của cấu trúc quần thể nấm bệnh cháy lá, đã có đủ khả năng do MGR -DNA fingerprinting, có thể cung cấp thông tin đầy đủ ý nghĩa về động lực tác nhân gây bệnh trong các diện tích chuyên canh lúa khác nhau kể cả dưới áp lực bệnh khá cao.

Vật liệu và phương pháp

Sự sắp xếp hợp tác. Thu thập, phân lập, xác định kiểu hình thái của các vật liệu bệnh cháy lá đã được thực hiện tại Centro International de Agricultura Tropical (CIAT), Cali, Colombia. Kỹ thuật MGR -DNA fingerprinting được thực hiện tại Purdue University, West Lafayette. IN. Phân tích dữ liệu và sự thể hiện được cùng nhau thực hiện.

Giống trồng và nòi nấm. Việc thu thập các nấm được thi hành từ 15 giống lúa được trồng thương phẩm tại Colombia trên 20 năm, ngoại trừ ra Ceysvoni, Fanny, Zenith và IR42. Các chủng được nhận từ những vết thương do bởi lây lan ngoài đồng trên những cây trồng đang trồng tại Trung tâm Nghiên cứu Santa Rosa của CIAT, toạ lạc khoảng 20 km đông Villavicencio, Colombia (độ cao  310m, 4o N vĩ độ, 73o W kinh độ). Các vết thương được thu thập trong suốt thời kỳ từ tháng 5/1988 đến tháng 10/1990. Các mẻ cấy thể phân lập được phát triển do đặt cẩn thận những mẫu nhỏ lá mang vết bệnh đơn trên một đĩa agar có nước (water-agar) và rồi sau đó chuyển một sector nhỏ hệ sợi nấm đang mọc tới đĩa chứa aga gạo chà, trong mọi truờng hợp, các thể phân lập đơn đính bào tử tiếp sau đó đã được nhận từ mỗi mẻ cấy vết thương đơn bào tử (single-lesion: vết thương đơn); các thể phân lập đơn đính bào tử được ghi nhận sau đây như là một kiểu có đánh số (đếm, ghi số) của mẻ cấy vết thương đầu tiên. Tính đồng nhất (giống hệt) các chủng như P. grisea đã được xác nhận bằng soi kính hiển vi quang học (light microscopy). Các mẫu của mỗi chủng được lưu trữ  trên giấy lọc khô (dried filter papers) và gởi qua bưu điện tới Đại học Purdue do giấy phép của APHIS để phân tích thêm. Các chủng được hoạt hoá lại do đặt các miếng nhỏ giấy lọc trên đĩa (oatmeal-agar: agar bột yến mạch). Tổng số 151 chủng từ những vết thương ngoài đồng đã được phân tích.

Phân loại dòng phân lập. Kiểu bệnh được xác định bởi thí nghiệm khả năng gây bệnh với 8 giống của bộ phân sai chuẩn quốc tế. Đối với những tranh luận đã thảo luận sau, một thử nghiệm khả năng của mỗi chủng gây bệnh trên giống khởi nguyên dưới các điều kiện thí nghiệm trong nhà lưới đã được thực hiện đồng thời. Các chủng đã không nhiễm bất kỳ phân sai nào cũng được đem chủng trên những giống trồng khác để xác nhận tính sinh bệnh đối với lúa. Quy trình thí nghiệm là quy trình đã sử dụng bởi F. J. Correa -Victoria và R.S. Zeigler. Mười cây mạ của mỗi ký chủ phân sai đã được tăng trưởng tới giai đoạn 3-4 lá (18-21 ngày sau khi gieo trên 15cm lô plastic và sau đó phun chủng bệnh với thể huyền phù đính bào tử có nước (aqueous conidial suspension) chứa tối thiểu 105 đính bào tử trong ml. Những cây mạ được lưu giữ trong buồng 100% ẩm độ tương đối  đặt trong nhà lưới (screenhouse: nhà lưới; greenhouse = glasshouse: nhà kính) với chu kỳ sáng 12h trên ngày và nhiệt độ chung quanh mức 20-30oC. Cây mạ được bón phân sau khi gieo 1 tuần và 1 ngày trước khi chủng với lượng dung dịch sulphate ammonium bằng với lượng đã cung cấp tương đương 180kg N trên ha. Những phản ứng của ký chủ đã được cho điểm bằng mắt cho % trung bình diện tích lá có phủ vết bệnh và đối với loại vết bệnh 7 ngày sau khi chủng. Phản ứng của ký chủ được xem là tương hợp (+) nếu phần lớn cây mạ phô bày các vết thương sinh bào tử đầy đủ (vết thương loại 4 hoặc lớn hơn hoặc nếu % mức trung bình diện tích lá đã ảnh hưởng là 5% hoặc lớn hơn với ít nhất một vài vết thương phát sinh bào tử hiện diện. Tất cả các phản ứng khác được phán quyết như là bất tương hợp (-). Giống trồng tương hợp nói chung như Fanny đã được gom lại trong mỗi thí nghiệm khi kiểm chứng lại hiệu quả gây bệnh. Các kiểu bệnh được xác định chỉ từ những thí nghiệm trong đó những cây mạ Fanny đã phát triển những vết thương sinh bào tử đầy đủ. Các kiểu bệnh được chỉ định rõ bởi danh pháp của Ling and Ou.

Việc phân lập DNA và MGR -DNA fingerprinting.

DNA cũng được phân lập như mô tả trước. Sự cô DNA được xác định trong máy TKO 100 minifluorometer (Hoeffer, San-Francisco. CA) với (dye: thuốc nhuộm) huỳnh quang DNA -specific Hoescht 33258 theo hướng dẫn của nhà sản xuất.

Một microgram DNA của bộ genome từ mỗi mẫu được tiêu hoá với EcoRI và đã được cắt phân đoạn bởi điện di trên gel 0.8% agarose. Một tiêu chuẩn tham khảo, gồm có một EcoRI tiêu hoá DNA từ dòng lưu trữ M. grisea đã được cùng phân cắt trên tất cả các jel để làm dễ dàng so sánh trực tiếp giữa các cuộc thí nghiệm điện di. Những dòng tham khảo này phô bày một đặc tính MGR -DNA của 30 RFLPs sắp dãy theo chiều dài đã biết từ 0.9 đến 38.2 kb dưới điều kiện điện di (Fig1, lane 1) DNA đã phân cắt được blot (thấm) tới màng Hybond -N (Amer sham Crop., Arlington Heights, IL) theo lời đề nghị của nhà sản xuất. The DNA blots (dấu vết DNA) đã được dò với MGR có đánh dấu phóng xạ, dòng phụ vô tính (subclone) MGR586. Kỹ thuật fingerprinting MGR -DNA được khảo sát bằng máy chụp X quang tự động (autoradio –graphy) sau khi làm sạch nghiêm ngặt (higher-stringency) như được trình bày trước.

So sánh Fingerprinting

MGR-DNA fingerprinting được ghi điểm bằng mắt. Kỹ thuật in dấu ngón tay đầu tiên được phân loại thành các nhóm trên cở sở những đồng nhất hiển nhiên giữa các đặc tính RFLP. Trong thực tiễn, chừng 1/3 các chủng được phân tích lại tiếp theo trên jels với các chủng kiểu điển hình của mỗi nhóm bản mô tả đặc tính để xác nhận sự liên kết dòng chủng. Sự biến đổi dấu ngón tay trong tất cả các dòng chủng được xác định số lượng bởi ghi điểm bằng mắt sự hiện diện hoặc sự vắng mặt của tất cả những đoạn gien giới hạn trong dãy có kích thước 1.5 tới 18.2 kb. (thí dụ của các điểm ghi biến đổi dấu ngón tay tạm cho (raw) có thể hữu dụng cho yêu cầu của M.Levy)

Sự biến đổi bên trong một nhóm đặc tính được đánh giá từ so sánh từng cặp (pairwise comparison) của tỉ lệ RFLPs đã chia sẻ (shared: chung phần) giữa fingerprints (các dấu ngón tay), thí dụ, gấp 2 lần số đoạn gien chung (shared) đã phân chia bởi tổng số số đoạn gien trong những dấu ngón tay đang so sánh. Phương pháp này tương đương với tính toán của Nei và Li’s chỉ số tương đồng di truyền (Sxy) đối với so sánh RFLP. Quan hệ dòng chủng giữa một nhóm mô tả được đánh giá bằng quy đổi giá trị đồng nhất thành phần bổ sung giá trị khoảng cách (distance-value) của chúng (Dxy = 1 – Sxy), phân tích ma trận giá trị khoảng cách (distance-value) với phân tích tính trạng sinh thái di truyền bằng phương pháp cặp đôi không trọng trượng trong trung bình số học (the unweighted pair group method for arithmetic averages=UPGMA), và vẽ biểu đồ kết quả trong biểu đồ sinh thái di truyền (phenogram). Khoảng tin cậy về mặt thống kê (statistical confident interval) đối với  sự sắp xếp hình nhánh cây của phenogram (the branch arrangements of phenogram) được xác định bằng quy trình bootstrap bằng cách dùng 1,000 lần lấy có lập lại của dữ liệu RFLP (using 1,000 repetitive samplings of the RFLP data) và tính toán dãy 95% (the 95% range) của giá trị điểm đầu nhọn (point) hình nhánh cây ở phenogram UPGMA cho ra kết quả (biến đổi từ 17). Khoảng tin cậy được sử dụng để giới hạn thành phần của nhóm. Tất cả các dòng chủng chiếm nhánh hình cây phenogram liên kết với do trùng lấp nhau các khoảng cách tin cậy (và cũng bao gồm một vài giá trị tương đồng 100%) được phân xử là không khác nhau có ý nghĩa từ dòng chủng này với dòng chủng kia. Nói khác đi, các dòng chủng trong những nhóm như thế đã biểu hiện sự phân bố một cách liên tục biến đổi với sự phân nhóm phụ không có ý nghĩa. Do đó, nhóm được xem như đại diện cho một dòng dõi di truyền đơn độc (duy nhất).

Mối quan hệ giữa các nhóm đã được đánh giá như mô tả trước đây nhưng đã được dựa trên dấu ngón tay MGR -DNA liên ứng (the consensus MGR-DNA fingerprint của mỗi nhóm (tất cả các RFLPs hiện diện trong 50% hoặc nhiều hơn của các dòng chủng). Chúng tôi đã sử dụng dấu ngón tay liên ứng đối với mỗi dòng dõi để tránh thời gian sử dụng máy tính toán phân tích quá lâu để phân tích bootstrap của toàn thể bộ 151 dòng chủng. Phương pháp này được chứng minh đúng đắn bởi dãy nhỏ biến đổi RFLP và không phân nhóm phụ có ý nghĩa trong các nhóm và khoảng cách lớn giữa các nhóm (biến đổi không thường xuyên = discontinuous variation). Tất cả các nhóm đã khác lẫn nhau một cách có ý nghĩa (i.e. khoảng tin cậy không bao gồm 100% giá trị tương đồng) và được coi như đại diện cho những dòng dõi di truyền riêng biệt.

Tất cả những tính toán và phân tích thống kê được thực hiện bởi chương trình SAS (version 6) (SAS institute. Cary. NC).

Kết quả

Đa dạng kiểu bệnh.

Mục tiêu chính của nghiên cứu này là khảo sát họ hàng của bộ thu thập các dòng chủng P. grisea đại diện cho bộ thu thập rộng rãi các kiểu bệnh từ những vùng diện tích địa lý nhỏ. Tổng số 39 kiểu bệnh đã được khám phá trong số 151 dòng chủng (Table1). Hầu hết các kiểu bệnh đã xuất hiện chỉ ở 1 hoặc 2 dòng chủng trong mẫu. Điển hình, nhiều kiểu gây bệnh (2-7) đã được thu hồi từ mỗi giống trồng; ngoại trừ là IR22, linena2, và Oryzica Llanos 4, tạo ra chỉ 5 chủng chung (tập thể) (Table 2). Các kiểu gây bệnh có quan sát thường xuyên nhất (31 dòng chủng hoặc 21% mẫu) là II -1, được thu hồi tử 9 giống trồng (Table2). Dòng chủng  II -1 không mô tả đặc điểm khả năng gây bệnh (tính sinh bệnh) bởi vì chúng không độc trên tất cả các giống khác biệt quốc tế. Tuy nhiên thí nghiệm nhiễm bệnh trên một số giống trồng Colombia cho thấy chủng II -1 khác nhau trong phổ nhiễm bệnh (Bảng 3).

Mặc dù phương pháp lấy mẫu có hệ thống đã không được dùng trong thu thập các dòng chủng, 39 kiểu gây bệnh có quan sát trong mẫu này là kiểu điển hình của quần thể bệnh cháy lá tại Santa Rose. Tính đa dạng này tại một điểm duy nhất gây ấn tượng lớn hơn đã quan sát tại US, ở đó băng qua vùng phía nam 6 bang trồng lúa chỉ chừng 20 nòi quốc tế được phát hiện từ thập niên năm 1950 và chỉ 8 trong số đó được xem là phổ biến.

Đa dạng Fingerprint. MGR -DNA fingerprint trong số các dòng chủng Santa Rose chứa một trung bình 50 đoạn gien EcoRI có thể phân tích được (phân giải). Tổng số 115 MGR -DNA fingerprint đã được phát hiện trong số 151 dòng chủng. Tuy nhiên nhiều dòng chủng biểu lộ đặc tính tương đồng cao đến nỗi mà tất cả fingerprints được cho điểm bằng mắt vào 5 nhóm cơ bản (Fig.1). Các thí dụ về 5 nhóm được công nhận đầu tiên được xắp xếp số thứ tự trong hình 1 như theo sau: 2-4, 5-7, 8-11, 12-14, 15-20. Khi fingerprint giống nhau trong các nhóm được tính toán và phân tích biến đổi bằng phân tích bootstrap, nhóm dòng chủng 1 được tách riêng thành 2 cụm (cohesive: dính liền, cố kết) (internally: bên trong, nội tại) dính liền và khác nhau có ý nghĩa. Không có phân nhóm phụ có ý nghĩa được khám phá bởi phương pháp bootstrap trong các nhóm khác, làm cho (bring) tổng số nhóm xác định MGR riêng biệt về mặt thống kê lên tới con số 6. Phân tích tiếp theo biến đổi giữa fingerprints liên ứng của từng nhóm cho thấy rằng các nhóm khác nhau có ý nghĩa. Mỗi nhóm đại diện một dòng dõi di truyền riêng biệt. Sau đây, những dòng dõi được chỉ định như là SRL -1 suốt tới 6.

Dòng chủng trong từng dòng dõi đã biểu lộ fingerprint giống nhau (Fig.2) Đặc điểm giống nhau trung bình trong các dòng dõi biến động trong khoảng từ mức tối đa 98% trong SRL-2 (Fig.2.A) tới mức tối thiểu 92% trong SRL-4 (Fig2.D). Trái lại, các dòng dõi được phân biệt khá rõ với nhau (Fig3). Sự tương tự liên ứng tối đa giữa các dòng dõi là 85% (SRL-1 versus SRL-2: đối lại với), tối thiểu là 37% (SRL-1 và SRL -3 đối lại với SRL -4; SRL-2 đối lại với SRL -3), và mức trung bình trong số tất cả các dòng dõi là 49%. Tất cả các dòng dõi khác nhau từng dòng một có ý nghĩa tại mức độ tin tưởng P < 0.001, i.e. 1, 000 bootstrap resamplings of the consensus fingerprints không bao giờ cho ra một trường hợp giống nhau 100% trong so sánh cặp (pairwise) giữa các dòng dõi. Phân tích bootstrap của biểu đồ MGR liên ứng cũng cho thấy rằng, về mặt mức độ khác nhau giữa các dòng dõi, có 3 mức ý nghĩa (P < 0.05) cao hơn điểm phân nhánh theo thứ bậc: một sự tách rời các dòng dõi (riêng biệt, riêng lẻ) SRL-4, SRL-5, và SRL -6 khỏi các dòng dõi khác, Sự tách rời khác nữa SRL -3 khỏi dòng dõi đứng trước, và sự tách rời thứ ba SRL -1 và SRL -2 khỏi tất cả các dòng dõi khác.

Lineage-cultivar-pathotype associations. (Tập hợp dòng dõi -giống trồng-mầm bệnh)

Một tóm tắt về đa dạng kiểu gây bệnh và chuyên tính cây trồng ký chủ trong số 6 dòng dõi xác định MGR được thấy trong Bảng 2. Trong số liệu này, chúng tôi bao gồm một đo lường tính độc tố của dòng chủng trên cây chủ xuất xứ của chủng để đánh giá tính tương hợp dòng chủng - giống trồng chính xác hơn. Nhiều chủng đã không tái nhiễm trở lại ký chủ xuất xứ của chúng trong điều kiện thí nghiệm nhà lưới (Table2) Chúng tôi kết luận là điều này có nghĩa là lây lan ngoài ruộng đầu tiên đại diện cho cuộc đấu tranh ngẫu nhiên được nuôi dưỡng bởi những điều kiện cực kỳ thích hợp cho sự phát triển bệnh tại Santa Rose và không phản ảnh tính tương hợp đầy đủ. Ví dụ, tại Santa Rose, giống lúa Oryzica Llanos 5 nhiễm do dòng chủng của SRL -2 và SRL -6. Không một chủng nào trong các chủng này có khả năng tái nhiễm dưới điều kiện thí nghiệm nhà lưới. Xa hơn nữa, dưới điều kiện canh tác Oryzica Llanos 5 đã chứng minh được tin là kháng bệnh cháy lá từ năm 1988. Sụ xuất hiện cơ hội lây nhiễm bệnh cháy lá không phổ biến tại nương mạ ươm bệnh tại Santa Rose, nhưng lây nhiễm như thế là không thường xuyên trong những ruộng có canh tác và là thông thường được liên kết cây trồng đang bị thương.

Thực hiện tính toán số liệu tái nhiễm, mỗi dòng dõi in dấu tay MGR -DNA bao gồm các chủng nhiễm một tập hợp phụ các giống hạn chế và đặc trưng và biểu lộ một tập hợp phụ đặc trưng các kiểu gây bệnh. Mức độ chuyên tính giống trồng và đa dạng kiểu bệnh thay đổi giữa các dòng dõi. Thí dụ, dòng chủng P. grisea thuộc về dòng dõi SRL -1 được tìm thấy riêng cho trên giống Cica 9 và biểu lộ chỉ 2 kiểu bệnh. Lấy mẫu rộng rãi chủng P. grisea của Cica 9 được gieo trồng khắp Colombia đã xác nhận tính phổ biến của sự liên kết này (association)(số liệu không công bố). Tính chuyên biệt của dòng chủng SRL -1 đối với Cica 9 cũng được xác nhận bằng thí nghiệm nhà lưới. Tính chuyên biệt ký chủ mạnh mẽ cũng được quan sát đối với chủng SRL -2; tất cả đều có kiểu bệnh II -1 trên giống trồng Linea 2 (Tabl2,3). Một số chủng của dòng dõi SRL -2 nhiễm giống Cica 9 dưới điều kiện thí nghiệm nhà lưới (Table3; F.J. Correa-Vitoria, (số liệu không công bố). Các dòng dõi SRL34, SRL-4, SRL-5 từng dòng tương hợp với 2 giống trồng và biểu lộ tổng số 4, 8, 11 kiểu gây bệnh, tương ứng. SRL -6 tương hợp với dãy rộng các giống trồng và biểu lộ tổng số 23 kiểu gây bệnh.

Thu mẫu bệnh rộng hơn trong phần còn lại của Colombia đã chứng minh là SRL -4, 5, 6 là thường thấy dòng dõi nấm bệnh cháy lá thường xuyên nhất (J.Manry, F.J. Correa-Victoria, và M. Levy, số liệu không công bố). Tính thường xuyên cao (tần số cao) của chúng có thể là sự phản ánh của tính tương hợp đặc trưng giống trồng (cultivar-specific), Cica 8 (tương hợp với SRL -4, SRL-5) và Oryzica 1 (tuơng hợp với SRL -6) là giống lúa được trồng rộng nhất tại Colombia. Do đó, dù cho mẫu của nương mạ Santa Rose đã phân tích trong báo cáo này là không hệ thống và tập trung trên các chủng từ các giống trồng thương phẩm của Colombia, quan hệ dòng dõi -giống trồng Chúng tôi nhận dạng là chắc chắn ở các vùng diện tích khác của Colombia. Kết quả đề xuất mạnh mẽ là những dòng dõi dấu tay MGR -DNA (fingerprint lineages) là dấu chỉ thị tin tưởng của tính tương hợp cây trồng. Lấy mẫu cây trồng có hệ thống hơn ở vườn ươm Santa Rose qua vài năm tới sẽ cho phép chúng ta theo dõi động lực tiến hoá của quần thể này chi tiết hơn.

Tổng số 39 kiểu bệnh hiện diện trong mẫu vườn ươm Santa Rose của chúng tôi. Các kiểu bệnh đã không được phân phân bổ ngẫu nhiên trong số 6 dòng dõi nhưng đúng hơn là đặc trưng dòng dõi cao hơn (Bảng 2). Khi tất cả 151 dòng chủng được xem xét, 33 trong 39 kiểu gây bệnh (85%) là đặc trưng dòng dõi. Khi các dòng chủng không tái nhiễm được loịa trừ khỏi bộ số liệu, 21 trong 23 kiểu bệnh còn lại (91%) là đặc trưng dòng dõi. Suy cho cùng 2 kiểu bệnh không đặc trưng, một trong chúng được phục hồi duy nhất từ Cica8 (IH-1) và đã xuất hiện trong dòng dõi SRL -4 và –5. Kiểu bệnh còn lại đã không đặc trưng cho một dòng dõi nào là II -1, chúng được tìm thấy trong từng dòng. Đặc điểm tính độc tố của kiểu bệnh này không có thể giải đoán được trên bộ giống khác biệt quốc tế. Tuy nhiên, trong thí nghiệm nhà lưới của chủng II -1 có thể tái nhiễm trên ký chủ xuất xứ của chúng đã cho thấy rằng phổ tính độc tố trên các giống trồng Colombia là chuyên tính giống trồng và chuyên tính dòng dõi rất mạnh mẽ.

Trong tóm tắt, sự kết hợp kiểu bệnh -giống trồng -dòng dõi được phát hiện trong những kết quả này cho thấy là cấu tạo của quần thể bệnh cháy lá Santa Rose có thể sẽ được quan sáttheo thứ tự. Quần thể gồm có một tập hợp nhỏ các dòng dõi di truyền, trong giới hạn của sự biến đổi kiểu bệnh và chuyên tính giống trồng, mỗi dòng dõi với phổ tính độc khá rộng không chồng gối lên nhau. Sự cấu tạo này sẽ không được phát hiện chỉ có bằng cách phân loại kiểu bệnh.

Thảo luận

Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tìm thấy dấu tay MGR -DNA có thể được sử dụng để nghiên cứu những quần thể bệnh cháy lá phức tạp trong môi trường áp lực bệnh cao đang phô bày và một dãy đa dạng giống đang trồng. Phương pháp lấy mẫu của chúng tôi về vườn ươm bệnh đạo ôn ở Santa Rosa, Colombia, chứa 6 dòng dõi di truyền khác biệt rõ. Mỗi dòng dõi lây lan một số giới hạn giống trồng và hiển thị một dãy chuyên tính đặc biệt kiểu bệnh. Các kết quả này ủng hộ quan điểm là chuyên tính giống trồng và sự tiến hóa kiểu bệnh tại vị trí đã phát triển trong các giới hạn bắt buộc bởi nền di truyền của từng dòng dõi. Chuyên tính giống -dòng dõi đã phát hiện (Bảng 2) vẫn có thể là các trường hợp lây lan lấy mẫu trên một bộ giống trồng đa dạng hơn cho biết sự hiện diện dòng dõi mầm bệnh nhiều hơn tại vị trí. Các thí nghiệm về việc khảo nghiệm giả thuyết này đang được thực hiện. Tuy nhiên, tổ chức của đa dạng tính độc gây bệnh mới cho biết tại vị trí này cho phép chúng ta thảo luận một vài điểm chủ yếu liên quan đến việc sử dụng vườn ươm bệnh đạo ôn, sự tiến hoá của kiểu bệnh, và việc lai tạo tính kháng bệnh.

Các vườn ươm bệnh cháy lá lúa được sử dụng thường xuyên trong nhiều vùng chuyên canh lúa để khảo nghiệm tính kháng của các dòng lai và gống trồng mới. Một định nghiã chính xác về đa dạng của mầm bệnh ở các vị trí này là quan trọng cho việc hiểu rõ ý nghĩa của các phản ứng giống đã khảo sát. Rõ là, các dòng dõi di truyền của nấm gây bệnh đạo ôn lúa không thường trú trong quần thể vườn ươm đặt ra một mối đe doạ tiềm tàng cho các giống trồng kháng trong các khảo nghiệm vườn ươm và có thể được xem như là một nguồn sai số khó hiểu trong việc lai tạo giống kháng.

Sự bao gồm việc nhận diện dòng dõi di truyền về định nghĩa của cấu trúc quần thể gây bệnh đạo ôn trong các vườn ươm này có thể cung cấp một ước tính có thể tin cậy hơn về tính kháng bền của giống trồng so với trường hợp chỉ xem xét kiểu bệnh hoặc đa dạng gien có độc tố đang quan tâm. Kết quả của chúng tôi gợi ý là có hoặc không một kiểu bệnh riêng biệt trong một vùng có thể dự báo không chính xác mức thiệt hại của bệnh trên giống đã biết. Thí dụ, theo kết quả của chúng tôi giống lúa Cica 9 có thể sẽ bị tàn phá trong trường hợp lây lan nghiêm trọng ở bất kỳ vùng Colombia ở đó các dòng phân lập SRI -1 hiện diện, không kể kiểu bệnh IA -128 có bị phát hiện hay không. IA -128 là một SRL -1 liên kết với các kiểu bệnh tìm thấy trên Cica 9 (Bảng 2). Các dòng phân lập với cùng kiểu bệnh nhưng từ dòng dõi SRL -4 không thể lây lan Cica 9. Ngoài ra, dòng dõi SRL -6 chứa nhiều kiểu bệnh, một vài trong số được hiển thị bởi các dòng phân lập lây lan các giống trồng CeysvoniOryzica 1 (Bảng 2). Một lần nữa, chúng tôi dự báo là các giống trồng này rõ là có thể bị thiệt hại do lây lan bệnh đạo ôn trong bất kỳ vùng Colombia ở đó các dòng phân lập của dòng dõi SRL -6 xảy ra, không kể kiểu bệnh riêng biệt có thể được phát hiện.

Môi trường và việc quản lý vườn ươm bệnh đạo ôn Santa Rosa thúc đẩy mức bệnh mãn tính cao còn mang lại mức biến đổi kiểu bệnh cao. Khảo sát tính đa dạng này kết hợp với thông tin dòng dõi di truyền tạo ra một cách nhìn động lực tiến hoá kiểu bệnh ở vị trí. Một là, nhiều dòng phân lập được phân loại kiểu bệnh chứng tỏ sẽ không gây bệnh khi được chủng khuẩn trên giống trồng gốc của chúng trong điều kiện thí nghiệm trong nhà lưới. Các trường hợp lây lan cơ hội rõ này được tạo ra rõ bởi các thành phần của dòng dõi di truyền mầm bệnh lúa thường trú hiện diện ở Santa Rosa. Chúng không xuất hiện như là một tác phẩm (artifact) vì tất cả các dòng dõi không được tổng hợp trên tất cả vật ký chủ, thí dụ, các dòng phân lập không lây lan đã chứng minh một số chuyên tính (Bảng 2). Do đó, chúng tôi nghiên cứu là các trường hợp lây lan cơ hội có thể phản ánh tính tương hợp từng phần trên giống trồng ký chủ ngoài ruộng của chúng. Như đã được gợi ý trước, các trường hợp lây lan này có thể cho biết tiềm tàng đối với sự phân huỷ giống trồng trong tương lai bằng một dòng dõi chuyên tính. Giả thuyết này có thể được xác nhận bằng cách theo dõi sự phân huỷ hiện tại của giống trồng Oryzica Llanos 5 trong điều kiện ngoài ruộng. Kết quả của chúng tôi (Bảng 2) dự báo là, giữa các dòng dõi hiện có hiện nay trong vườn ươm, mầm bệnh có độc tố có thể phát sinh từ các dòng dõi SRL -2 và /hoặc SRL -6. Một cách thay đổi, giống trồng này có thể bị lây lan bởi các dòng dõi không hiện diện tại Santa Rosa. Các khảo nghiệm trong tương lai có thể được nhằm mục đích xác định ý nghiã của lây lan cơ hội được phát hiện ở Santa Rosa.

Một đặc tính thứ hai của quần thể Santa Rosa được tiết lộ bằng cách kết hợp khảo nghiệm tính phát sinh bệnh và phân tích dòng dõi di truyền là mỗi dòng dõi hiển thị một bộ phụ chuyên tính của số lớn kiểu bệnh hiện diện. Hơn nữa, các kiểu bệnh trong mỗi bộ phụ hình như là có liên quan gần phổ tính có độc tố. Thí dụ, các dòng phân lập SRL -6 thu hồi từ Cica 6 hiển thị một cách tập thể ba kiểu bệnh, IA-84, IA-92, và IA -96. Các kiểu bệnh này tạo ra một mạng nhỏ dạng tính có độc tố được phân biệt kiểu này với kiểu kia băng các khác biệt đơn về tính tương hợp trong bộ khác biệt quốc tế (Bảng 1). Các hệ thống kiểu bệnh tương tự rõ nét trong tất cả các dòng dõi. Một phân tích rộng hơn về quan hệ kiểu bệnh giữa các dòng dõi đang tiến triển và sẽ được báo cáo bất kỳ nơi nào. Tuy nhiên, các tập hợp dòng dõi -giống-kiểu bệnh theo thứ tự mạnh mẽ tiết lộ tại Santa Rosa gợi ý là, dù cho các dòng dõi có thể có một kiểu hình tính có độc tố tổng hợp chứa nhiều biến đổi, các kiểu bệnh thành phần của chúng tiến hoá trong các giới hạn được xác định bởi nền di truyền của dòng dõi. Các gien xác định cuối cùng chuyên tính giống trong một dòng dõi chuyên tính chờ đợi mô tả đặc tính.

Phân tích trước về quần thể đạo ôn lúa Santa Rosa bởi khảo nghiệm về tính phát sinh bệnh đã tìm ra chuyên tính giống mạnh đối với một số dòng phân lập. Thí dụ, Correa-Victoria và Zeigler lưu ý là Cica 9 bị nhiễm nặng trong vườn ươm bệnh đạo ôn nhưng tần số của các dòng phân lập có thể lây lan giống trồng này trong khảo nghiệm trong nhà kính thì thấp cực kỳ. Nói chung, chỉ  các dòng phân lập thu hồi từ Cica 9 có thể lây lan lại Cica 9 trong điều kiện khảo nghiệm trong nhà lưới. Một giải đoán di truyền về hiện tượng này nay được tạo ra bởi MGR -DNA fingerprinting. Tất cả các dòng phân lập chúng tôi thu hồi từ Cica 9 thuộc về dòng dõi SRL -1. Các dòng dõi khác cũng cho biết chuyên tính giống mạnh ở Santa Rosa (Các bảng 2 và 3).

Correa-Victoria và Zeigler đã gợi ý thêm là các phối hợp có ích của gien kháng có thể được phát sinh từ việc lai các giống trồng cho biết tính nhiễm bổ sung, nhưng chuyên tính mạnh với các thành phần hẹp của một quần thể mầm bệnh thường trú. Như đã chỉ dẫn trong khảo nghiệm này, việc nhận dạng các giống trồng trên có thể giải quyết bằng cách mô tả đặc tính thành phần dòng dõi của quần thể mầm bệnh bằng MGR -DNA fingerprinting. Một phương pháp tiếp cận lai tạo như trên có thể phối hợp các tính kháng chống lại tất cả 6 trong các dòng dõi được phát hiện trong vùng Santa Rosa. Thí dụ, các giống trồng Cica 9 và Oryzica 1 hình như chỉ nhiễm với các dòng dõi Cica 9 và –6 tương ứng, dù cho cả hai đều kháng với bốn dòng dõi Santa Rosa khác. Theo lý thuyết, phối hợp của các tính kháng hai giống trồng này có thể tạo ra tính kháng kết hợp chống lại tất cả dòng dõi Santa Rosa thường trú. Do đó, khả năng nay hiện có để khảo nghiệm xem là có gien kháng chuyên tính đối với các dòng dõi lúa -mầm bệnh P. grisea và xem là phối hợp gien kháng trên có thể có hiệu quả bền hay không. Rõ là, phân tích dòng dõi di truyền của mầm bệnh sẽ giữ một vai trò quan trọng trong khảo nghiệm và phát triển một phương pháp lai tạo như trên.

Tính đa dạng phát sinh bệnh của mầm bệnh đạo ôn lúa ở Santa Rosa lớn hơn nhiều so với đa dạng được phát hiện trước ở Hoa Kỳ, dù cho số dòng dõi di truyền được phát hiện giống nhau, sáu ở Santa Rosa và tám ở Hoa Kỳ. Mẫu thu thập Santa Rosa của chúng tôi gồm có 39 kiểu bệnh, và mỗi dòng dõi Santa Rosa hiển thị kiểu bệnh (Bảng 2) nhiều yếu tố (dù cho phần lớn chuyên tính dòng dõi). Trong vùng vành đai lúa miền nam 6-bang của Hoa Kỳ, chỉ  8 kiểu bệnh được xem là phổ biến và mỗi dòng dõi US gắn với chỉ một đến hai của các kiểu bệnh này. Một vài yếu tố có thể góp phần vào các mức khác nhau này về đa hình kiểu bệnh. Một là, khảo nghiệm U.S. đã phân tích một bộ sưu tập gốc của các dòng phân lập đại diện một mẫu địa lý rộng thu thập trong một thời gian dài và lây lan từng thời kỳ nhiều hơn là lâu dài, các điều kiện của bệnh. Vì thế, các mẫu có thể đại diện chỉ như mô hình và có thể thích hợp cao nhất, các kiểu bệnh ở Hoa Kỳ. Hai là, các dòng phân lập trong bộ sưu tập gốc U.S. có thể được bảo lưu vì  các phản ứng cuối cùng đặc biệt trong bộ khác biệt quốc tế. Ba là, đến nay, có ít lai tạo tính kháng đạo ôn lúa tại Hoa Kỳ, và đa dạng gien kháng và giống trồng kháng đạo ôn được sử dụng như là nguồn gien nhỏ về mặt lịch sử so với tại Colombia. Do đó, không ngạc nhiên là một khảo nghiệm chi tiết về trường hợp lây lan bệnh đạo ôn vừa qua tại Hoa Kỳ trong một vùng đặc biệt có thể cho biết tính đa hình kiểu bệnh không được lấy mẫu trước. Quần thể P. grisea Santa Rosa rõ ràng cho biết là mức cao biến đổi kiểu bệnh có thể xảy ra trong vùng địa lý giới hạn miễn là có biên độ kiểu gen ký chủ và điều kiện thời tiết cho phép. Chúng tôi kết luận là số kiểu bệnh trong các dòng dõi MGR -DNA fingerprinting được tạo điều kiện bởi rất nhiều yếu tố và sẽ cần được đánh giá trong một số vùng chuyên canh lúa trong các điều kiện sinh thái khác nhau.

Tính chất riêng biệt của dòng dõi di truyền được phát hiện ở Colombia theo ý nghĩa song hành MGR -DNA fingerprinting giải đoán trong các bộ sưu tập lưu trữ của các dòng phân lập Hoa Kỳ. Trong cả hai trường hợp, một đa số dòng dõi được dễ dàng chấm điểm và phân loại bằng khảo sát mắt thường. Việc xử lý thống kê là cần để xác định biến đổi giữa các dòng dõi và để xác nhận quan hệ biến đổi không liên tục giữa các dòng dõi. Các kết quả này chứng minh ngay trong các vùng có đa dạng di tuyền mầm bệnh cao, các dòng dõi dễ được nhận biết. Kết quả này chỉ có thể nhận nếu quần thể mầm bệnh vô tính nghiêm ngặt. Mức cao tính đa dạng kiểu bệnh ở Santa Rosa không làm lu mờ cấu trúc di truyền cơ bản của mầm bệnh như được tiết lộ bởi MGR -DNA fingerprinting. Trước hết, điều này có vẻ nghịch lý thí dụ fingerprint vẫn có quan hệ cao trong khi kiểu bệnh thay đổi. Tuy nhiên, chuỗi liên kết MGR586 phân tán tốt trên khắp bộ genome P. grisea, và do đó các thay đổi tinh vi về tính có độc tố trong một dòng dõi không dễ tạo ra gián đoạn chính trong đặc tính của dấu tay (fingerprint).

Các khảo nghiệm sơ khởi về cấu trúc quần thể của mầm bệnh đạo ôn trong các nước khác cũng cho biết là mỗi cấu trúc gồm có một số nhỏ (6-18) dòng dõi di truyền khác biệt rõ (M. Levy, F. J. Correa-Victoria, R. S. Zeigler, và J. E. Hamer, kết quả không công bố).  Các cố gắng trong tương lai phải được định hướng về việc biên tập một cơ sở tham khảo quốc tế gồm có dòng dõi nấm bệnh đạo ôn, sự phân bố địa lý của chúng, và tính có độc tố liên kết. Tập bản đồ quốc tế này về đa dạng mầm bệnh đạo ôn lúa sẽ hỗ trợ trong việc chọn nguồn gien kháng đối với các vùng chuyên canh lúa đặc biệt.

RGC 16-09-2006

 

Trở về Trang Chính