Sự phản ứng của cơ thể thực vật ở các mức độ khác nhau trước tác động của các yếu tố cực đoan đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Sự phản ứng đầu tiên của tế bào khi mất nước là xuất hiện ABA. Trong trường hợp này các gen đặc hiệu được biểu hiện, một loạt các chất được tổng hợp mới trong tế bào Những yếu tố cực đoan khác nhau (hạn, mặn, lạnh) tạo ra những tín hiệu như nhau và sự phản ứng của cơ thể sống đối với các yếu tố cực đoan của ngoại cảnh phụ thuộc vào từng loài, kiểu gen, độ dài và tính khốc liệt của yếu tố cực đoan, độ tuổi và giai đoạn của sự phát triển, dạng các cơ quan hoặc tế bào [7], [101].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Hình 1.3. Hệ thống điều hòa phiên mã của các tín hiệu stress phi sinh học và sự biểu hiện gen [101]
Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu về gen chống chịu theo hướng các yếu tố điều khiển, ví dụ như các nhân tố phiên mã nhằm tiếp cận cách điều hòa tổng thể hơn của thực vật khi gặp điều kiện bất lợi trong đó có hạn hán [1]. Nhân tố phiên mã là các protein tham gia điều khiển mức độ biểu hiện gen thông qua việc gắn vào các trình tự DNA ngắn đặc hiệu trong vùng promoter của các gen đích và làm tăng hoặc giảm mức độ biểu hiện của chúng. Gen mã hoá cho TF có chứa motif gắn DNA (bZIP, MYB, MYC, EREBP/AP2, NAC, DREB và zinc fingers) được mô tả hoạt hoá bởi tác động của các yếu tố bất lợi. Tiếp theo đó, chúng có vai trò điều hoà các gen chức năng (hình 1.3) [101].
Vai trò của các yếu tố phiên mã trongphản ứng với các điều kiện bất lợi đã được nhiều nghiên cứu đề cập đến [19], [33], [99], [116]. Hệ gen thực vật cókhoảng 7% trình tự mã hóa cho họ nhân tố phiên mã[116]. Trong hệ gen của cây
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
khi gặp các nhân tố tác động bất lợi. Nghiên cứu trên cây Arabidopsis và rất nhiều các cây trồng khác đã cho thấy, có một số con đườngđáp ứng một cách độc lập với các áp lực từ môi trường (bao gồm cả con đường phụ thuộc ABA vàkhông phụ thuộc ABA). Như vậy,đặc tính chống chịu các yếu tố bất lợi được điều khiển ởmức độ phiên mã bởi một hệ thốngđiều hòa gen vô cùng phức tạp[101].
ABA được xem là chất có vai trò điều hòa chínhkhi cây trồng gặpcác yếu tố bất lợi, đặc biệt là trong khả năng chống chịu với hạn háncủa thực vật, cùng phối hợp với một hệ thống điều hòa biểu hiện gen phức tạp cho phép thực vậtđối phó với việc thiếu nước [37], [65]. Phụ thuộc vào phản ứng với ABA những đường dẫn truyền tín hiệu chia thành 2 loại.
Nhân tố phiên mã và con đƣờng dẫn truyền tín hiệu phụ thuộc ABA
MYB - DNA binding domain là một nhóm nhân tố phiên mã rất đa dạng ở các loài Eukaryote. Vùng MYB là trình tự DNA trên promoter của các gen chịu hạn, trên promoter có trình tự để các protein MYB, MYC nhận biết. Ở Arabidopsis, ATMYB2 nhận biết trình tự TGGTTAG trên promoter để hoạt hóa gen rd22
(dehydration –responsive gene rd22) trong điều kiện mất nước[18]. Đây là gen cảm ứng với ABA. Còn gen AtMYB60 biểu hiện trong tế bào khí khổng, giúp cho tế bào thực vật vượt qua được tình trạng mất nước [7]. Vùng gắn DNA – MYB (MYB – DNA binding domain) được biết đến lần đầu tiên ở dạng v-myb oncogene (gen gây ung thư) của virus gây bệnh ung thư tủy xương (Myeloblastosis) ở loài chim [7]. Protein MYB đặc trưng bởi sự có mặt của 2 hoặc 3 Myb motif, mà mỗi motif này chứa cấu trúc xoắn chuyển xoắn (helix-turn-helix) với 3 vị trí gốc Trp. Protein MYB của động vật có chứa 3 Myb motif được ký hiệu là R1, R2, R3, trong khi đó ở thực vật chỉ chứa 2 Myb motif R2, R3[18].
Protein MYC là nhân tố phiên mã được biểu hiện cảm ứng do ABA và nhận biết trình tự đặc trưng MYC trên promoter các gen chịu hạn. Protein MYC được đặc trưng bởi cấu trúc domain cơ bản basic helix-loop-helix (bHLH). bHLH có thể nhận biết được trình tự dạng CANNTG trên promoter (N – nucleotide bất kỳ). Tuy vậy, hai nucleotide NN đặc trưng cho từng vùng.Kết quả nghiên cứu promoter rd22 của
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
trình tự CACATG đầu tiên phản ứng với hiện tượng mất nước, còn trình tự CACATG thứ hai trong vùng này lại có chức năng ức chế [7].
Nhóm nhân tố phiên mã AREB/ABF (bZIP) nhận biết yếu tố ABRE (ABA – responsive element) - PyACGTGGC trong vùng promoter. Hoạt hoá gen phản ứng với sự mất nước RD29B, RD20A. ABRE lần đầu tiên được phân lập từ gen Em của lúa mỳ và từ rab của lúa gạo. Protein gắn với Em (EmBP) mã hoá cho bZIP (leucine zipper motif) protein. Trình tự ACGT là điểm gắn đặc hiệu của bZIPprotein [47], [73], [101].
Nhân tố phiên mã và con đƣờng dẫn truyền tín hiệu không phụ thuộc ABA
Nhận biết yếu tố DRE- yếu tố điều hòa phản ứng với sự mất nước là tên của trình tự dài 9 bp: TACCGACAT trên promoter. Trong đó, vùng quan trọng nhất của DRE motif là vùng lặp lại giàu C (CRT – C repeat) - CCGAC. Các yếu tố protein gắn với trình tự DRE (DRE binding proteins - DREBs) ở vùng promoter đã được nghiên cứu và phân lập. Những protein này chứa các vùng bảo thủ như các protein EREBP (tham gia biểu hiện ethylene-responsive gene) và AP2 (Apetala2) - tham gia trong quá trình biểu hiện kiểu hình của thực vật có hoa. Chúng phản ứng rất nhanh với các yếu tố cực đoan trước khi xuất hiện ABA. Ví dụ như promoter của gen phản ứng với sự mất nước rd29A ở Arabidopsis [73], [95], [101].
NAC (NAM, ATAF và CUC2) và HD-ZIP transcription factors liên quan đến sự biểu hiện của gen ERD1 (Early responsive to dehydration stress 1) trong điều kiện hạn[33],[76], [77]. Nhân tố phiên mã NAC nhận biết các trình tự đặc trưng phản ứng với sự mất nước trong promoter của gen ERD1 [113].
Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã xác định được sự tồn tại của cả con đườngphụ thuộc ABA và không phụ thuộc ABAtrong đáp ứng với các yếu tố bất lợiở các họ nhân tố phiên mã chức năng như AP2/EREBP, NAC/ZF-HD, DREB/CBF. Ngoàinhững nhân tố phiên mãđã biết này, một số lượng lớn nhân tố phiên mã khác có liên quan đến khả năng đáp ứng với điều kiện bất lợi cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong việc tăng cường khả năng chống chịuở thực vật [33].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/
Một số gen mã hóa cho TF được phân lập và chuyển vào thực vật nhằm mụcđích kích hoạt một lúc nhiều gen có phản ứng với điều kiện cực đoan, làm tăng cường khả năng chịu hạn của cây trồng và tạo ra cây chuyển gen chống chịu tốt.