1.2.3.1. Cơ sở sinh lý của tớnh chịu hạn
Để chống lại khụ hạn thực vật có những biến đổi sinh lý, hoỏ sinh nhằm khụng để mất nƣớc. Có hai cơ chế bảo vệ thực vật tồn tại trong mụi trƣờng thiếu nƣớc là cơ chế trỏnh mất nuớc và cơ chế chịu mất nƣớc. Cơ chế trỏnh mất nƣớc liờn quan đến đặc điểm cấu trỳc và hỡnh thỏi của bộ rễ [1].
Khả năng thu nhận nƣớc chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ . Những cõy chịu hạn có bộ rễ khỏe, dài, mập, có sức xuyờn sõu sẽ hỳt đƣợc nƣớc ở những nơi sõu, xa trong đất, hoặc lan rộng với số lƣợng lớn để tăng diện tớch tỡm kiếm nƣớc [7]. Bờn cạnh đó cõy có hệ mạch phỏt triển, dẫn nƣớc lờn cỏc cơ quan thoỏt
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
nƣớc, có hệ mụ bỡ phỏt triển sẽ hạn chế sự mất nƣớc của cõy do sự thoỏt hơi nƣớc. Cơ chế trỏnh mất nƣớc phụ thuộc vào khả năng thớch nghi đặc biệt về cấu trỳc và hỡnh thỏi của rễ, chồi nhằm giảm mất nƣớc một cỏch tối đa [1], [40].
Trong điều kiện khụ hạn, ỏp suất thẩm thấu của dịch bào đƣợc điều chỉnh tăng lờn, giỳp cho tế bào thu nhận đƣợc những phõn tử nƣớc ớt ỏi cũn lại trong đất. Bằng cơ chế nhƣ vậy, thực vật có thể vƣợt qua đƣợc tỡnh trạng hạn cục bộ [86].
Cơ chế chịu mất nƣớc liờn quan đến những thay đổi sinh hoỏ diễn ra trong tế bào, nhằm sinh tổng hợp cỏc chất bảo vệ hoặc nhanh chóng bự lại sự thiếu hụt nƣớc. Tự điều chỉnh ỏp suất thẩm thấu nội bào cũn thụng qua tớch luỹ cỏc chất hoà tan, cỏc protein, cỏc axit amin vớ dụ nhƣ axit amin prolin, mannitol, fructose, K+
, cỏc enzym phõn hủy gốc tự do… Sự điều chỉnh ỏp suất thẩm thấu có hai chức năng:
- Giữ và lấy nƣớc vào trong tế bào và ngăn chặn sự xõm nhập của ion Na+. - Thay thế vị trớ nƣớc nơi xảy ra cỏc phản ứng sinh hoỏ, tƣơng tỏc với lipit hoặc protein trong màng, ngăn chặn sự phỏ huỷ màng và cỏc phức protein [1].
1.2.3.2. Cơ sở sinh hoỏ của tớnh chịu hạn
Thành phần hoỏ sinh của hạt nhƣ: Hàm lƣợng protein, đƣờng tan, enzym, thành phần axit amin,… khụng chỉ là cơ sở để dỏnh giỏ chất lƣợng hạt mà cũn là cỏc chỉ tiờu liờn quan đến khả năng chống chịu của cõy trồng [25], [26], [49].
Trong cơ thể thực vật, đƣờng tập chung nhiều ở thành tế bào, mụ nõng đỡ, mụ dự trữ, là sản phẩm của quỏ trỡnh quang hợp ở tế bào. Đƣờng có nhiều vai trũ quan trọng trong cơ thể sống, đó là cung cấp năng lƣợng cho cơ thể, cấu trỳc và tạo hỡnh, góp phần bảo vệ tƣơng tỏc đặc hiệu cho tế bào… Theo nhiều nghiờn cứu, hàm lƣợng đƣờng tan có liờn quan trực tiếp đến khả năng chống chịu của cõy trồng. Đuờng tan là một trong cỏc chất tham gia điều chỉnh ỏp suất thẩm thấu trong tế bào. Những nghiờn cứu đó thấy rằng, tăng ỏp suất thẩm thấu của tế bào thụng qua cỏc phõn tử đƣờng tan thỡ làm tăng khả năng chống chịu của cõy trồng [29], [41], [65].
Tỏc giả Đỗ Thị Dƣơng đó nghiờn cứu đặc điểm sinh hoỏ của năm giống lỳa cạn đó nhận thấy khả năng chống chịu của cỏc giống lỳa có tƣơng quan thuận với hàm lƣợng đƣờng tan và protein [11]. Ngụ Thị Liờm và Nguyễn Thị Sõm khi nghiờn cứu
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
hỡnh thỏi, hoỏ sinh hạt của một số giống lạc, nhận thấy có mối tƣơng quan thuận giữa hàm lƣợng đƣờng tan, protein, hoạt độ enzym với khả năng chịu hạn [24], [45]. Trờn đối tƣợng là cõy đậu tƣơng, Hà Tiến Sỹ (2007) đỏnh giỏ khả năng chịu hạn của một số giống đỗ tƣơng địa phƣơng của tỉnh Cao Bằng ở giai đoạn mầm đó nhận thấy khả năng chịu hạn của cỏc giống có tƣơng quan thuận với tỷ lệ tăng của hàm lƣợng đƣờng tan, hoạt độ enzym amylase [46].
Axit amin prolin cú vai trũ quan trọng trong điều hoà ỏp suất thẩm thấu của tế bào, đồng thời nó là một axit amin ƣa nƣớc có khả năng giữ và lấy nƣớc cho tế bào, ngăn chặn sự xõm nhập của ion Na+, tƣơng tỏc với protein và lipit màng, ngăn chặn sự phỏ huỷ của màng và phức protein khỏc. Cỏc kết quả nghiờn cứu cho thấy khi cõy trồng gặp hạn thỡ cõy giảm tổng hợp protein và tăng tổng hợp prolin [50], [66], [85]. Sự gia tăng hàm lƣợng prolin ở thực vật khi gặp phải điều kiện bất lợi nhƣ do hạn, mặn, nóng… có liờn quan đến cỏc gen tổng hợp prolin và cỏc gen điều khiển quỏ trỡnh vận chuyển prolin. Khi mụi trƣờng đất thiếu nƣớc đến mức ỏp suất thẩm thấu của tế bào khụng thể cạnh tranh đƣợc với ỏp suất thẩm thấu của đất thỡ gen tham gia vào quỏ trỡnh tổng hợp prolin sẽ đƣợc hoạt hoỏ, xỳc tiến cho việc tổng hợp prolin và vận chuyển prolin đến cỏc mụ, tế bào có nhu cầu. Khi cõy ở tỡnh trạng bỡnh thƣờng (khụng chịu tỏc động của stress mụi trƣờng) thỡ prolin trong cõy sẽ đƣợc chuyển hoỏ thành glutamat. Cũn khi cõy rơi vào tỡnh trạng thiếu nƣớc do hạn thỡ glutamat sẽ đƣợc chuyển hoỏ thành prolin [87], [90].
Enzym là chất xỳc tỏc sinh học có hiệu quả cao. Mỗi một loại enzym xỳc tỏc cho một quỏ trỡnh chuyển hoỏ theo một kiểu phản ứng đặc hiệu nhất định. Trần Thị Phƣơng Liờn (1999) khi xử lớ nhiệt độ cao thỡ ảnh hƣởng đến hoạt tớnh protease của cỏc giống đậu tƣơng chịu hạn, khụng ảnh hƣởng đến cỏc giống chịu nóng, cũn điều kiện ỏp suất thẩm thấu cao thỡ đều ảnh hƣởng đến enzym này ở cỏc giống [26]. Cỏc nghiờn cứu khi xử lý hạn sinh lý ở giai đoạn nảy mầm đều nhận thấy giống có hàm lƣợng protein cao thỡ hoạt độ enzym protease cũng cao. Tỷ lệ tăng hoạt độ enzym protease sau hạn so với trƣớc gõy hạn tỷ lệ thuận với khả năng chống chịu của cỏc giống [9], [38]. Trong giai đoạn nảy mầm enzym α – amylase là một trong những
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
enzym quan trọng trong quỏ trỡnh thuỷ phõn tinh bột thành dextrin và mantose. Sự tăng hoạt độ của α – amylase làm tăng hàm lƣợng đƣờng tan trong cõy vì vậy làm tăng ỏp suất thẩm thấu trong tế bào nờn khả năng chịu hạn của cõy cũng tăng lờn [17].
Ngoài ra đó có nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu vai trũ của axit abscisic (ABA) [91]. Skiver và Mundy (1990) đó nghiờn cứu xỏc định chức năng của một số gen trong việc giải mó cỏc protein và cơ chế biểu hiện gen ở thực vật khi gặp mất cõn bằng thẩm thấu xử lý ABA.
Nhƣ vậy cơ chế chịu hạn của thực vật rất phức tạp khụng chỉ liờn quan đến đặc điềm hỡnh thỏi giải phẫu của cõy mà cũn liờn quan đến những thay đổi thành phần hoỏ sinh trong tế bào và sự điều chỉnh cỏc gen liờn quan đến tớnh chịu hạn của thực vật.
1.2.3.3. Cơ chế phõn tử của tớnh chịu hạn
Để khai thỏc tối đa tiềm năng của cỏc giống cõy trồng cần nắm vững phản ứng của cỏc giống cõy trồng đối với cỏc điều kiện ngoại cảnh. Phản ứng của cõy trồng rất đa dạng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khỏc nhau, trong đó có kiểu gen và mức độ khắc nghiệt của điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Biểu hiện của quỏ trỡnh này là việc sinh tổng hợp của một loạt cỏc chất trong tế bào liờn quan đến điều hoà ỏp suất thẩm thấu của tế bào. Đƣợc quan tõm nghiờn cứu nhiều nhất là cỏc protein. sản phẩm của quỏ trỡnh biểu hiện gen.
Sự biểu hiện của cỏc gen liờn quan đến stress phụ thuộc vào khả năng nhận biết stress. Bằng chứng là tăng cƣờng cỏc chất điều khiển phản ứng của cõy trồng đối với stress. Vớ dụ nhƣ ABA, axit jasmonic, ethylen, Ca++,… Mức độ biểu hiện của một số gen tăng lờn, một số yếu hẳn đi. Điều hoà biểu hiện của cỏc gen này khi gặp stress đang đƣợc tăng cƣờng nghiờn cứu ở cỏc giai đoạn khỏc nhau: trƣớc phiờn mó và sau phiờn mó [25].
Nghiờn cứu tớnh chịu hạn của thực vật theo cơ chế chịu mất nƣớc, cỏc nhà khoa học nhận thấy rằng cỏc nhóm chất liờn quan đến việc bảo vệ cấu trỳc của tế bào và điều chỉnh ỏp suất thẩm thấu có vai trũ đặc biệt quan trọng. Những nhóm
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
chất đặc biệt quan tõm đến là protein sốc nhiệt (heat shock protein - HSP) trong đó có cỏc chất mụi giới phõn tử - MGPT (molecular chaperone), Ubiquitin,…
Protein sốc nhiệt ở hầu hết cỏc loại thực vật nhƣ: lỳa mỳ, lỳa gạo, đậu nành, hành tỏi, … chỳng chiếm 1% protein tổng số trong lỏ của cỏc loài thực vật này. HSP đƣợc tổng hợp khi tế bào gặp điều kiện cực đoan nhƣ hạn, nhiệt độ cao, độ muối cao. Sự suất hiện của HSP có chức năng ngăn cản hoặc sửa chữa sự phỏ huỷ do stress nóng và mở rộng ngƣỡng với sự chống chịu nhiệt độ cao. Trong cỏc tế bào thực vật, HSP trong tế bào chất tập chung thành cỏc hạt sốc nhiệt (Heat Shock Granules – HSG). Ngƣời ta cho rằng cỏc HSG gắn kết trờn cỏc ARN – polymease để ngăn cản sự phiờn mó tổng hợp mARN trong quỏ trỡnh bị stress nóng. Sau sốc nóng cỏc HSG phõn tỏn và liờn kết dày đặc với cỏc ribosome hoạt động sinh tổng hợp protein [25].
Dựa vào khối lƣợng phõn tử HSP đƣợc chia thành 6 nhóm: HSP110, HSP100, HSP90, HSP70, HSP60, HSP8,5. Trong đó nhóm HSP70 và HSP60 có đại diện của chất MGPT, HSP8,5 (Ubiquitin) có chức năng bảo vệ cho tế bào nhƣng khụng phải là MGPT, chỳng có hoạt tớnh protease và thực hiện chức năng phõn giải protein khụng có hoạt tớnh enzym, ngăn chặn cỏc protein gõy độc cho tế bào. Ubiquitin có khối lƣợng phõn tử thấp, ớt chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ nờn chỳng có vai trũ tự sửa chữa khi gặp cỏc yếu tố cực đoan nhất là nhiệt độ cao.
MGPT làm một nhóm gồm nhiều loại protein khỏc nhau nhƣng chỳng đều có chức năng tham gia tạo cấu trỳc khụng gian đỳng cho protein trong tế bào . MGPT đƣợc tăng cƣờng tổng hợp trong điều kiện cực đoan do nhu cầu cấp thiết của tế bào nhất là do tỏc động của nhiệt độ.
Cỏc nhóm HSP90, HSP100 đều có tớnh bảo thủ cao, có hoạt tớnh ATPase. Một số tỡm thấy trong tế bào bỡnh thƣờng, nhƣng phần lớn chỳng sinh ra khi gặp cỏc điều kiện ngoại cảnh bất lợi nhƣ hạn, nóng, lạnh. Chức năng chớnh của chỳng là ngăn chặn sự co cụm của protein và tỏi hoạt hoỏ protein biến tớnh [25], [32].
Protein LEA (Late embryogenesis abundant protein) là protein tổng hợp với số lƣợng lớn ở giai đoạn cuối của quỏ trỡnh phỏt triển phụi và là một trong những
Số húa bởi Trung tõm Học liệu – Đại học Thỏi Nguyờn http://www.lrc-tnu.edu.vn
nhóm protein quan trọng liờn quan đến điều kiện mất nƣớc của tế bào. Nhóm gen mó hoỏ loại protein LEA cũn đóng vai trũ quan trọng trong tớnh chịu khụ hạn của hạt. Khi điều kiện mất nƣớc xảy ra, LEA tham gia vào bảo vệ màng tế bào, cụ lập ion, ổn định pH tế bào [25], [27], [32].
Nghiờn cứu tớnh chịu hạn về mặt sinh lý, hoỏ sinh, cấu trỳc tế bào nhận thấy một loạt những biến đổi sõu sắc ở tất cả cỏc mức độ khỏc nhau trong cỏc giai đoạn phỏt triển khỏc nhau. Điều đó chứng tỏ tớnh chống chịu là đa gen, tức là do nhiều gen quyết định, biểu hiện trong cỏc giai đoạn phỏt triển khỏc nhau của cõy. Ngày nay trờn thực tế vẫn chƣa tỡm đƣợc gen thực sự quyết định tớnh chịu hạn mà mới chỉ tỡm thấy cỏc gen liờn quan đến tớnh chịu hạn.