Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. BỆNH KHẢM DO VIRUS Ở CÂY ĐẬU TƯƠNG 1. Cây đậu tương và bệnh virus ở cây đậu tương Cây đậu tương có tên khoa học là Glycine max (L. Đậu tương là loại cây trồng quan trọng bởi giá trị dinh dưỡng và giá trị cải tạo đất.
Hạt đậu tương chứa khoảng 40% protein, 20% lipid và chứa nhiều chất quan trọng cho hoạt động sinh lý của cơ thể người và động vật, như: isoflavone, lecithin, tocopherol và saponin. Thêm nữa hạt đậu tương còn chứa nhiều protein chức năng và là nguồn thực phẩm rẻ tiền, có vai trò trong chăm sóc và bảo vệ sức khỏe con người [149], [158]. Các sản phẩm từ đậu tương đã tăng lên đáng kể so với các loại cây trồng khác do nhu cầu về protein và dầu [82]. Cây đậu tương là cây trồng cạn ngắn ngày, lấy hạt và thuộc nhóm cây hàng năm.
Rễ của cây đậu tương là loại rễ cọc, gồm rễ chính và các rễ bên. Rễ tập trung ở tầng đất mặt 30 – 40 cm, ăn lan khoảng 20 – 40 cm. Trên rễ có nhiều nốt sần chứa vi khuẩn Rhizobium japonicum có khả năng cố định đạm [1]. Thân cây đậu tương ít phân cành, cây thảo, dạng bụi, có hình trụ, nhiều lông, mang nhiều đốt, thân thường đứng, có khi dạng bò hay nửa bò.
Cành đậu tương mọc ra từ các đốt trên thân, đốt đầu tiên của thân chính mang hai lá mầm, đốt thứ hai mang hai lá đơn đối nhau, từ đốt thứ ba trở lên mỗi đốt mang một lá kép. Đậu tương là cây tự thụ phấn, hoa lưỡng tính, hoa được phát sinh từ nách lá, đầu cành hoặc đầu thân. Hoa thuộc hoa cánh bướm, mọc thành chùm, có màu tím hay trắng, thời kỳ cây ra hoa sớm hay muộn, thời gian dài hay ngắn tuỳ thuộc vào giống và thời vụ gieo do chịu ảnh hưởng phối hợp của ánh sáng và nhiệt độ [1], [2]. Quả đậu tương là loại quả ráp, bên ngoài vỏ quả thường có lớp lông bao phủ, màu sắc vỏ khi chín có màu vàng hoặc xám đen.
Quả thẳng 6 hoặc hơi cong. Mỗi quả thường có từ 1 - 4 hạt nhưng phổ biến là 2 hạt. Hạt đậu tương có nhiều hình dạng như bầu dục, tròn dài, tròn dẹt. Vỏ hạt thường nhẵn và có màu vàng nhạt, vàng đậm, xanh, nâu, đen… nhưng đa số là hạt màu vàng.
Khối lượng hạt dao động từ 200 – 400 mg/hạt và khối lượng 1000 hạt dao động trung bình 100-200g. Hình dạng và màu sắc rốn hạt là dấu hiệu đặc trưng cho mỗi giống đậu tương [1], [2]. Với những giá trị kinh tế và giá trị sử dụng, đậu tương được xem là loại cây trồng chiến lược của nhiều quốc gia trên thế giới, với vị trí đứng thứ tư chỉ sau lúa, ngô và lúa mỳ. Ở Việt Nam, cây đậu tương được trồng từ rất lâu và nhu cầu tiêu thụ đậu tương cũng rất lớn, nên sản xuất đậu tương trong nước đang được chú trọng, diện tích gieo trồng vì thế đã tăng lên đáng kể.
Đậu tương được trồng ở cả 7 vùng nông nghiệp, ở 28 tỉnh thành trên khắp cả nước, trong đó 70% ở miền Bắc và 30% ở miền Nam. Cây đậu tương ở nước ta được trồng chủ yếu ở vùng cao, những nơi đất không cần màu mỡ (khoảng 65%) và 35% được trồng ở những vùng đất thấp, ở khu vực đồng bằng sông Hồng. Theo số liệu của Tổng cục thống kê, từ năm 2008 đến nay, diện tích trồng, năng suất và sản lượng đậu tương không có sự tăng đáng kể so với những năm trước. Nguồn giống đậu tương kháng bệnh và chống chịu cao là một trong các nguyên nhân chính có thể giải thích cho sự phát triển chậm của ngành sản xuất đậu tương ở nước ta.
Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học nhằm cải thiện tính kháng bệnh của cây đậu tương là cách tiếp cận mới, có hiệu quả đối với ngành chọn giống đậu tương hiện nay. Cây đậu tương có thể mắc một số bệnh do vi khuẩn, nấm hoặc virus, như bệnh khảm do SMV hoặc BYMV, bệnh gỉ sắt hại đậu tương do nấm Phakopsora pachyrhizi, bệnh Sương mai (đốm phấn) do nấm Peronospora manshurica, bệnh lở cổ rễ do nấm Rhizoctonia solani hoặc Fusarium solani fsp. Phaseoly, bệnh đốm lá vi khuẩn hại đậu tương và một số bệnh hại khác. Thống kê trên thế giới cho thấy có hơn 100 loại virus gây hại 7 trên cây đậu tương.
Bệnh virus đậu tương phân bố rộng khắp và gây thiệt hại lớn đến năng suất và chất lượng sản phẩm. Tại những nơi bị nhiễm bệnh nặng, năng suất có thể bị giảm đến 50% ở ngoài đồng, mức giảm có thể lên đến 93% - 95% trong điều kiện lây nhiễm trong thí nghiệm [17]. Một số nước có tỷ lệ thiệt hại lớn do bệnh virus ở đậu tương, như vùng Georgia ở Mỹ (37%), Australia và Thái lan (60%), New Zealand và khu vực Bắc Mỹ (40- 50%) [28], [80], [158]. Bệnh khảm đậu tương do virus nhóm khảm (Potyvirus) gây ra.
Bệnh được phát hiện lần đầu tiên ở Mỹ vào năm 1900 và đến nay virus khảm đậu tương đã có mặt hầu hết ở các vùng trồng đậu tương trên thế giới [80]. Việt Nam cũng đã công bố phát hiện loại virus này từ năm 1994, chủ yếu tập trung ở những vùng trồng đậu tương lớn, như khu vực trung du, miền núi Bắc bộ, khu vực Đồng Bằng Sông Hồng và Tây Nguyên [1], [12]. Các nhà khoa học đã xác định có một số loài virus đặc biệt nguy hiểm, gây hại trên cây đậu tương, trong đó có SMV và BYMV [17], [73]. SMV là loài virus gây bệnh khảm ở cây đậu tương, thuộc nhóm Potyvirus, họ Potyviridae, và là một trong những virus chủ yếu nhất gây bệnh ở đậu tương, bệnh xảy ra trên toàn thế giới [44].
SMV gây thiệt hại đáng kể về năng suất, thậm chí ở một số trường hợp tổn thất có thể lên đến 94% tổng sản lượng đậu tương. Những cây đậu tương bị nhiễm SMV thường sinh trưởng phát triển chậm, hình thái thân, lá, quả bị biến dạng, và khi bị nhiễm ở giai đoạn muộn sẽ làm giảm sản lượng và chất lượng hạt [85] [86]. Họ Potyviridae được biết đến là có số lượng loài lớn nhất trong các loài virus gây bệnh ở thực vật. Nếu nhiễm Potyvirus và các loài virus khác thì thiệt hại về năng suất và chất lượng hạt đậu tương tăng lên gấp bội [32], [145].
Những cây bị nhiễm Potyvirus cũng dễ bị nhiễm nấm gây bệnh hơn [145]. SMV có thể lây nhiễm qua hạt với tỷ lệ trung bình là 10% và thay đổi theo chủng virus, kiểu gen thực vật và thời gian bị nhiễm [104]. 8 Phản ứng khác biệt của giống về sức đề kháng với SMV được biểu hiện ở hiện tượng cây đậu tương mẫn cảm với bệnh khảm hoặc khảm hệ thống (S), chết hoại (N), và không có triệu chứng hoặc kháng (R). Quan sát này đã được Cho và Goodman (1982) sử dụng để phân loại SMV thành các nhóm, chủng SMV từ G1 đến G7 [49].
BYMV là loài virus cũng thuộc nhóm Potyvirus, có thể tìm thấy ở các cây thuộc họ đậu đỗ (đậu tương, lạc, đậu xanh, đậu đen, …) và một số loài thực vật khác [28], [80]. Khi cây đậu tương nhiễm BYMV sẽ xuất hiện những vết khảm và đường biến vàng ngoằn ngoèo trên bề mặt lá, làm cây không phát triển được và dẫn tới bị chết. Bệnh khảm vàng do BYMV cũng gây thiệt hại đáng kể về năng suất và chất lượng hạt, đặc biệt đối với các cây đậu đỗ, trong đó có đậu tương [137]. Khi cây bị nhiễm BYMV, năng suất hạt đậu tương bị giảm, một số trường hợp có thể giảm tới 74% - 80% [96].
Đối với cây đậu tương, SMV và BYMV có thể nhiễm đồng thời trên cùng một cây và triệu chứng rất khó phân biệt. Ảnh hưởng của việc nhiễm cùng lúc nhiều loại virus khác nhau dẫn tới năng suất đậu tương có thể bị giảm từ 66% - 80% [80], [91]. Bằng các quan sát thực địa nhóm tác giả ở Ukraine đã xác định được triệu chứng nhiễm hai loại SMV và BYMV ở đậu tương vùng Cherkassy, Vinnitsa, Kiev và kết quả đã được xác nhận bằng kính hiển vi điện tử và kỹ thuật ELISA [103]. Trên cơ sở phân tích gen và thiết lập cây phát sinh loài một số tác giả cho rằng BYMV phân lập từ các vùng thuộc Cộng hòa Séc được phân bố ở ba nhóm trên sơ đồ hình cây và không phụ thuộc vào cây chủ [142].
Phản ứng của cây đậu tương đối với SMV và BYMV phụ thuộc vào kiểu gen của giống, chủng virus, tuổi cây, thời gian lây nhiễm, nhiệt độ không khí và các điều kiện môi trường khác [41]. Sự xâm nhập của SMV và BYMV vào tế bào đậu tương SMV và BYMV có thể xâm nhiễm trực tiếp vào tế bào đậu tương hoặc có thể xâm nhiễm qua môi giới trung gian là rệp. Virus và cơ thể côn trùng có 9 mối quan hệ sinh học với nhau, virus có thể tiềm ẩn một thời gian dài trong cơ thể côn trùng, qua tuyến nước bọt để đi vào hệ thống tiêu hoá thấm qua thành ruột vào máu rồi trở lại tuyến nước bọt. Sau giai đoạn tiềm ẩn, virus được nhân lên trong cơ thể côn trùng và ở thời điểm này côn trùng có khả năng truyền bệnh một cách nhanh chóng.
Tuy nhiên khả năng truyền bệnh của côn trùng cũng có những hạn chế do tuổi của côn trùng thường rất ngắn [12], [13]. SMV có khả năng xâm nhập vào tế bào qua các vết thương nhẹ do cọ xát giữa các cây với nhau, hoặc còn có thể truyền bệnh trong trường hợp hạt phấn bị nhiễm virus rơi vào noãn của cây. SMV di chuyển trong tế bào chất và có thể di chuyển sang tế bào khác thông qua các sợi liên bào. Sau 3 ngày virus mới nhiễm hết một lá đơn, sau 4 ngày thì mới nhiễm hết đoạn gân của lá kép và một phần đoạn thân sát gốc [80], [145].
Sau 5 ngày virus nhiễm hết dọc thân chính và các lá ngọn, khoảng sau 25 ngày virus có thể nhiễm trên toàn bộ cây. Virus có thể nhiễm qua nhân giống vô tính, qua hạt giống, qua phấn hoa, hoặc qua côn trùng [108]. Cách thức truyền virus gây bệnh qua trung gian làm cho cây đậu tương có khả năng nhiễm bệnh rất cao, khi cây trưởng thành có thể bị nhiễm virus từ 90 - 100% ở các mức độ biểu hiện bệnh khác nhau [80], [161]. SMV và BYMV có cấu tạo đơn giản, gồm hai thành phần chính là protein (60 - 95%) và nucleic acid (5 - 40%) [80], [91].
Hệ gen của SMV và BYMV là RNA sợi đơn dương (RNA (+)).