Trong phòng thí nghiệm, khi mô được ngâm trong các dung dịch ưu trương thì hiện tượng co nguyên sinh thường xảy ra: hàm lượng nước của tế bào giảm, tế bào chất trở nên đậm đặc, thể tích nguyên sinh chất và sức trương của tế bào giảm dần. Vì lý do này, sự co nguyên sinh không làm phát sinh áp suất âm (sức căng) có ý nghĩa trong nguyên sinh chất. Sự co nguyên sinh đôi khi xảy ra trong thiên nhiên do stress nước hay nồng độ muối quá cao (Bùi Trang Việt, 2002).
Cải thiện khả năng chịu hạn bao gồm cả chương trình nhân giống thông thường và tạo dòng đột biến. Kỹ thuật xử lí hóa chất và chiếu xạ được tiếp cận để tạo ra đột biến với số lượng lớn các dòng đột biến về tính trạng chịu hạn. Thay đổi bộ máy sinh hóa, chẳng hạn như tăng tích tụ của các chất chuyển hóa và tăng enzym chống oxy hóa được thể hiện rõ ràng trong phản ứng của cây trồng khi thiếu nước. Khi bị thiếu nước sẽ có sự thoái hóa sắc tố, giảm độ dẫn khí khẩu, giảm nồng độ CO2 nội bộ và ức chế tăng trưởng (Chaum, 2010).
Nuôi cấy mô và tế bào có thể đóng góp một phần trong việc tạo chọn các dòng chống chịu các stress môi trường. Trong nuôi cấy môthì sự cân bằng các chất điều hoà tăng trưởng thực vật có vai trò quan trọng trong việc sinh tạo cơ quan của cây. Kết quả nghiên cứu của một số tác giả cho thấy acid abscisic (AAB) là chất có liên quan đến việc tổng hợp các protein mới (đặc biệt là protein với phân tử lượng 26) xuất hiện ở dòng chịu muối. Mối tương quan giữa AAB, tính chiụ muối và sự tổng hợp các protein đặc biệt là vấn đề nghiên cứu hết sức lý thú. Các dòng chịu hạn đã được thông báo, các tác giả đã sử dụng chất gây hạn PEG 4000 hoặc PEG 6000 đưa vào môi trường để gây khô hạn trong các nghiên cứu in vitro ở một số cây họ đậu, nho, cà chua, dền (Huỳnh Thị Diễm Phúc et al, 2011).
Các chất điều hòa sinh trưởng và phát triển của thực vật là những chất có bản chất hóa học khác nhau, nhưng đều có tác dụng điều tiết các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây từ lúc tế bào trứng thụ tinh phát triển thành phôi cho đến khi cây ra hoa kết quả, hình thành cơ quan sinh sản, cơ quan dự trữ và kết thúc chu kỳ sống của mình. Các hormone thực vật (phytohormone) là những chất hữu cơ có bản chất
hóa học rất khác nhau được tổng hợp với một lượng rất nhỏ ở các cơ quan, bộ phận nhất định của cây và từ đó vận chuyển đến tất cả các cơ quan, các bộ phận khác của cây để điều tiết các hoạt động sinh lý, các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây và để đảm bảo mối quan hệ hài hòa giữa các cơ quan, bộ phận trong cơ thể (Nguyễn Đức Lượng và Lê Thị Thủy Tiên, 2006).
• Auxin
Auxin là một chất có nhân, có công thức phân tử là C10H9O2N. Ở nồng độ cao, auxin kích thích sự tạo mô sẹo từ các tế bào sống nhờ vào chất “histogene”, (là chất tạo ra nhiều tế bào giống nhau hoàn toàn, các tế bào này tạo nên một “mô sẹo”). Đây là đặc tính tốt được áp dụng trong nuôi cấy tế bào (Dương Công Kiên, 2002).
Auxin và gibberellin đều kích thích sự kéo dài tế bào, tuy nhiên chỉ có auxin tác động trên sự kéo dài diệp tiêu và tế bào vùng kéo dài dưới ngọn của thân, khúc cắt thân cô lập, gibberellin hầu như chỉ hoạt động trên thân nguyên. Sự kéo dài tế bào rễ cần những nồng độ thấp hơn nhiều so với tế bào thân (Bùi Trang Việt, 2000). Auxin đóng một vai trò chủ đạo trong sự phát sinh phôi, có vai trò điều hoà sự nảy mầm của hạt ở mức phân tử. Trong điều kiện thiếu nước, Auxin càng có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ nước của tế bào. Khi nồng độ muối cao Auxin kích thích sự hấp thụ ion K+trên thành tế bào. Trong suốt quá trình nảy mầm AIA ở dạng tự do giảm còn AIA mới được tổng hợp tăng lên để kéo dài rễ mầm và giảm nhanh khi rễ mầm chui ra khỏi vỏ hạt. Khi cây mạ non phát triển, Auxin lưu thông từ đỉnh xuống phần dưới các cơ quan với một sự phân cực rõ ràng (Nguyễn Đức Lượng và Lê Thị Thủy Tiên, 2006).
• Gibberellin
Gibberellin kích thích sự nảy mầm, nảy chồi của các mầm ngủ, của hạt và củ, do đó nó có tác dụng trong việc phá bỏ trạng thái ngủ nghỉ. Hàm lượng gibberellin thường tăng lên lúc chồi cây, củ, căn hành hết thời kỳ nghỉ, lúc hạt nảy mầm (Vũ Văn Vụ et al, 2000). GA nội sinh kích thích hạt nảy mầm kể cả sự phá ngủ của chồi, động viên chất dự trữ của nội nhũ (Nguyễn Như Khanh, 2002). Trong
thời kì nảy mầm, gibberellin kích thích sự tổng hợp của các enzyme amylase và các enzyme thuỷ phân khác như protease, photphatase... và làm tăng hoạt tính của các enzyme này, vì vậy mà xúc tiến quá trình phân hủy tinh bột thành đường cũng như phân hủy các polyme thành monome khác, tạo điều kiện về nguyên liệu và năng lượng cho quá trình nảy mầm. Trên cơ sở đó, nếu xử lý gibberellin ngoại sinh thì có thể phá bỏ trạng thái ngủ, nghỉ của hạt, củ, căn hành kể cả trạng thái nghỉ sâu (Vũ Văn Vụ et al, 2000).
Trong điều kiện hiếu khí gibberellin có vai trò quan trọng trong sự nảy mầm của hạt lúa. Dưới điều kiện hiếu khí -amylase sản xuất được tăng cường để đáp ứng gibberellin sản xuất phôi. Nhưng trong điều kiện kị khí thì gibberellin không cần thiết cho nảy mầm của hạt lúa mà việc sản xuất -amylase trong quá trình nảy mầm của hạt gạo được cho là đóng một vai trò quan trọng đối với khả năng chịu thiếu oxy của các loại hạt ngũ cốc (Loreti et al, 2003).
GA khởi động sự nảy mầm của hạt bằng cách tác động đến một trong các bước: hoạt hóa sinh dưỡng của phôi, làm yếu các lớp nội nhũ cản trở sinh trưởng bao quanh phôi và động viên chất dự trữ trong nội nhũ. GA hoạt hóa sự hình thành nhiều enzyme thủy phân, đáng chú ý nhất là α-amylase trong lớp tế bào alơron bao quanh nội nhũ của hạt ngũ cốc đang nảy mầm (Nguyễn Như Khanh, 2002). Các tế bào alơron là những tế bào sống không phân chia, có chức năng đặc trưng là hình thành và giải phóng các enzyme tiêu hóa khối nội nhũ của hạt. Ở đây GA có vai trò như là chất cảm ứng mở gen của hệ thống tổng hợp protein enzyme thủy phân hoạt động (Vũ Văn Vụ et al, 2000). Bổ sung GA3 ngoại sinh gây ra một kết quả là tăng tỷ lệ nảy mầm và sự tăng trưởng cây mầm bằng cách tăng cường sự sẵn có của GA3
nội sinh (Kim et al, 2006). Gibberellin kích thích sự biệt hóa tế bào của mô phân sinh ngọn chồi. Tuy nhiên nếu ở nồng độ cao sẽ cản sự phân chia tế bào bằng cách giảm hoạt tính kích thích phân chia tế bào của cytokinin ở mô phân sinh ngọn chồi. Gibberellin kích thích kéo dài tế bào, cùng với auxin sẽ giúp phân chia tế bào (Pua và Davey, 2009).
• Cytokinin
Tính chất đặc trưng của cytokinin là kích thích sự phân chia tế bào mạnh mẽ. Vì vậy người ta xem chúng như là các chất hoạt hóa sự phân chia tế bào, nguyên nhân là do cytokinin hoạt hóa mạnh mẽ quá trình tổng hợp acid nucleic và protein dẫn đến kích thích sự phân chia tế bào (Vũ Văn Vụ et al, 2000).
Cytokinin ảnh hưởng rõ rệt lên sự hình thành và phân hóa cơ quan của thực vật, đặc biệt là sự phân hóa chồi. Người ta đã chứng minh rằng sự cân bằng giữa tỷ lệ auxin (phân hóa rễ) và cytokinin (phân hóa chồi) có ý nghĩa rất quyết định trong quá trình phát sinh hình thái của mô nuôi cấy in vitrocũng như trên cây nguyên vẹn (Vũ Văn Vụ et al, 2000). Nếu tỷ lệ auxin cao hơn cytokinin thì kích thích sự ra rễ, còn tỷ lệ cytokinin cao hơn auxin thì kích thích ra chồi; sự cân bằng giữa hai kiểu hormone này là một trong những yếu tố kiểm soát sự phát triển (Bùi Trang Việt, 2000).
• Acid abscisic
Một trong những hậu quả đầu tiên của sự thiếu nước trong đất là sự đóng các khí khổng và sự cản quang hợp. Trong điều kiện này, AAB được vận chuyển theo hướng ngược với hướng được thấy trong điều kiện quang hợp mạnh. Trong điều kiện quang hợp bình thường, AAB tích lũy trong diệp lạp (khổng mở); nhưng khi tế bào thịt lá bắt đầu mất nước, một phần AAB trong tế bào thịt lá được phóng thích vào apoplast và theo dòng thoát hơi nước tới các tế bào khí khổng để khởi phát sự đóng khẩu. Sự gia tăng tổng hợp AAB chỉ xảy ra khi khổng đóng, có lẽ để thúc nhanh hay kéo dài hiệu ứng đóng khổng của AAB (Bùi Trang Việt, 2002).
Ở lúa người ta đã xác định gen RAB 21, được gây ra khi cây lúa bị stress nước. Gen này mã hóa một protein glycine chỉ có trong các phần phân đoạn của tế bào chất. Protein này tích lũy trong phôi gạo, lá, rễ và các tế bào mô sẹo có nguồn gốc từ việc bổ sung NaCl (200 mM) hoặc hormone thực vật acid abscisic (10 microM AAB). Cảm ứng của RAB tích tụ mRNA 21 của AAB là nhanh chóng (ít hơn 15 phút trong các tế bào bị gây stress) và tổng hợp protein, để đáp ứng với hormone này.
Acid abscisic (10-7 M) làm đóng khí khổng sau vài phút. Khi cây thiếu nước, hàm lượng acid abscisic trong lá tăng mạnh. Nếu lá tái hấp thu nước, hàm lượng acid abscisic sẽ trở lại giá trị ban đầu. Nhiều người cho rằng AAB là dấu hiệu của sự “khô hạn” kích thích sự đóng khí khẩu. Nó được xem như là hormone của “stress” vì nó được hình thành mạnh để phản ứng với các “stress” hoặc các điều kiện bất lợi của môi trường như hạn hán, nồng độ muối cao…và làm cho cây biến đổi để thích ứng với môi trường (Vũ Văn Vụ et al, 2000).
GA và AAB hoạt động cùng lúc với giai đoạn ngủ và giai đoạn nảy mầm. GA cao làm thúc đẩy nảy mầm khi đã ức chế tổng hợp AAB. Do đó, gỡ ngủ được đặc trưng bởi sự suy giảm AAB và tăng sinh tổng hợp GA (Finch- savage, 2003). Trong các cơ quan đang ngủ nghỉ, hàm lượng acid abscisic tăng gấp 10 lần so với thời kỳ sinh trưởng. Sự ngủ nghỉ kéo dài cho đến khi nào hàm lượng acid abscisic trong cơ quan ngủ nghỉ giảm đến mức tối thiểu. Do vậy từ trạng thái ngủ nghỉ chuyển sang trạng thái nảy mầm có sự biến đổi tỷ lệ giữa acid abscisic và gibberellin ở trong các cơ quan (Jain et al, 1996).
• Ethylene và một số chất làm chậm sinh trưởng
Ethylene kích thích sự kéo dài thân cây mầm, ngược với hiệu ứng cản thông thường. Khi cây mầm lúa bị ngập nước, sự tăng trưởng lóng gia tăng đột ngột. Điều này là do khi bị ngập nước cây lúa bị thiếu oxygen, sự tổng hợp ethylene giảm, nhưng cây lúa chìm trong nước có hàm lượng ethylene cao vì ethylene khuếch tán rất chậm trong đất ngập nước. Sự rụng lá do stress khô hạn nghiêm trọng là cách thực vật đáp ứng với ethylene để giảm bề mặt thoát hơi nước (Bùi Trang Việt, 2000).
Các chất làm chậm sinh trưởng là một nhóm chất tổng hợp nhân tạo có bản chất hoá học khác nhau, được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nông nghiệp. Chúng có những hoạt tính sinh lí tương tự như ức chế sự sinh trưởng kéo dài, làm cây thấp, mở rộng phiến lá, xúc tiến sự ra hoa, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của rễ (Vũ Văn Vụ et al, 2000).
Trong quá trình nuôi cấy thì quá trình nảy mầm, sự hình thành rễ, thân, lá… đều được điều chỉnh bởi hai hay một vài hormone đặc hiệu. Nếu tỉ lệ này nghiêng về auxin thì rễ hình thành mạnh hơn, ngược lại, chồi hình thành mạnh hơn. Đây là cơ sở để hình thành cây hoàn chỉnh trong nuôi cấy in vitro. Sự ngủ và nảy mầm được điều chỉnh bằng tỉ lệ giữa AAB/GA. Tỉ lệ này nghiêng về AAB thì hạt ở trạng thái ngủ và ngược lại thì sự nảy mầm xảy ra (Vũ Văn Vụ et al, 2000).