TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. TÍNH CHỊU HẠN CỦA THỰC VẬT, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỪNG VÀ TÍNH CHỊU HẠN CỦA CÂY VỪNG
1.2.2.3. Sự thớch nghi về ủặc ủiểm húa sinh
Vai trũ của prolin, ủường trong việc ủiều hũa ỏp suất thẩm thấu đã có khá nhiều nghiên cứu tập trung tìm hiểu cơ chế hóa sinh của tắnh chịu hạn. đó là những chất có khả năng tạo áp suất thẩm thấu cao trong tế bào như: axit abxisic, ủường, axit amin prolin và axit hữu cơ khỏc, cỏc loại rượu ủa chức hay cỏc ion (chủ yếu là ion K+). Hầu hết cỏc loại chất hữu cơ hũa tan cú tỏc dụng ủiều chỉnh ỏp suất thẩm thấu ủược sinh ra ngay trong quỏ trỡnh ủồng húa và trao ủổi chất. Quỏ trỡnh thủy phõn cỏc hydratcacbon dự trữ cũng là nguồn cung cấp chất tan rất dồi dào cho quỏ trỡnh ủiều chỉnh ỏp suất thẩm thấu. Cỏc chất này cú khả năng ủiều chỉnh ỏp suất thẩm thấu nhờ khả năng giữ nước và lấy nước vào tế bào, hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+. Ngoài ra, chúng còn có thể thay thế vị trí của nước, nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với protein và lipit màng, ngăn chặn sự phá hủy màng [33]. Một trong cỏc chất liờn quan ủến sự thẩm thấu ở tế bào thực vật ủược chỳ ý ủú là prolin. Sự tớch lũy prolin trong ủiều kiện hạn ủó ủược nghiờn cứu ở nhiều loài thực vật như: ủậu xanh [14], khoai tõy [101], lỳa mạch [109], hướng dương
[192], cà chua [223]... Cỏc kết quả ủó cho thấy, hàm lượng prolin tăng lờn khi thực vật bị hạn [33], [37], [192], [230].
Hiện nay, cỏc nhà khoa học ủang nghiờn cứu, phõn lập và chuyển gen tổng hợp prolin trờn nhiều ủối tượng cõy trồng khỏc nhau. P5CS (pyroline-5- cacboxylate synthase) là enzym chỡa khúa trong tổng hợp prolin ủó ủược nghiờn cứu và chuyển vào lỳa mỡ, khoai tõy, ủậu tương [115], [183], [190], [200], [215].
Vai trò của protein sốc nhiệt (Heat Shock Protein – HSP)
Cơ chế húa sinh cú tỏc dụng bảo vệ tế bào trong ủiều kiện bị mất nước là sự khử ủộc cỏc sản phẩm (NH3) ủược tạo nờn trong quỏ trỡnh phõn giải cỏc hợp chất cao phõn tử chứa nitơ như protein… ủồng thời xỳc tiến sự bảo vệ ADN cũng như phục hồi các cấu trúc sinh học bị hư hại với sự tham gia của cỏc protein sốc ủặc hiệu. Khi cơ thể thực vật bị mất nước do nhiệt ủộ cao tỏc ủộng, cỏc protein sốc nhiệt (heat shock protein – HSPs) bảo vệ bộ gen của tế bào trong thời gian bị ủiều kiện bất lợi tỏc ủộng [216]. Khi qua stress, protein sốc nhiệt tỏch ra khỏi ADN và gen trở lại hoạt ủộng bỡnh thường.
Trong ủiều kiện hạn chế về nước, việc tổng hợp cỏc protein sốc nhiệt (HSP), enzym peroxydase, sự phân giải protein, các protein tham gia vận chuyển nước ủó ủược nghiờn cứu khỏ nhiều.
HSP chiếm khoảng 1% protein tổng số trong lá và có ở hầu hết các loài thực vật [139]. Sự xuất hiện của HSP có tác dụng ngăn cản hoặc phục hồi những phá hủy do stress gây ra. Trong tế bào thực vật, HSP tập trung thành hạt sốc nhiệt ( HSG - Heat Sock Granules). Quan sỏt dưới kớnh hiển vi ủiện tử, các hạt sốc nhiệt - HSG gồm phức hợp HSP và mRNA. Người ta cho rằng, cỏc hạt sốc nhiệt gắn kết trờn mRNA ủể ngăn cản sự phõn hủy của mRNA khi gặp stress. HSP ủược xuất hiện trong cả cỏc quỏ trỡnh sinh trưởng bỡnh thường và cỏc giai ủoạn biệt húa mụ. Chỳng cũn ủược tổng hợp thờm trong
ủiều kiện cực ủoan của mụi trường. Trong thời gian bị stress tỏc ủộng, tớnh thấm của màng sinh chất tăng lên, các HSP bảo vệ bộ gen của tế bào, nhờ vậy tế bào duy trỡ ủược sức ủề khỏng ủối với ủiều kiện bất lợi. Sự tồn tại của cỏc HSP cú tỏc dụng ổn ủịnh màng sinh chất, hạn chế sự gia tăng tớnh thấm của nú.
Dựa vào khối lượng phân tử, người ta phân lọai HSP ở thực vật làm 6 nhóm: HSP110, HSP90, HSP70, HSP60, HSP20, HSP8,5 [17]. Trong các nhúm HSP cú rất nhiều ủại diện của chất mụi giới phõn tử (MGPT) (HSP70, HSP60), nhưng cũng có những HSP không phải là MGPT, ví dụ như HSP8,5 kDa (Ubiquitin). Ubiquitin ủược mệnh danh là nhõn tố bảo vệ tế bào, chỳng có hoạt tính protease, thực hiện chức năng phân giải các protein bị biến tính, khụng cú cấu trỳc khụng gian ủỳng, ngăn chặn cỏc protein này gõy ủộc cho tế bào. Ubiquitin ủúng vai trũ quan trọng trong việc tự sửa chữa tế bào bằng cỏch loại bỏ cỏc protein biến tớnh khi gặp yếu tố cực ủoan.
Các MGPT là yếu tố chìa khóa tham gia nội cân bằng tế bào trong các ủiều kiện sinh trưởng cực thuận và ủối lập. MGPT là một nhúm gồm nhiều loại protein khác nhau. Phần lớn các MGPT có hoạt tính ATPase. Chức năng chớnh của MGPT là tham gia tạo cấu trỳc khụng gian ủỳng cho protein mới ủược tổng hợp, sau ủú chuyển protein này qua màng, duy trỡ cấu trỳc ủặc hiệu của protein, ngăn chặn sự hủy hoại protein chưa tạo cấu trúc không gian, khởi ủầu cho sự phõn hủy protein biến tớnh [22], [218]. MGPT cú 5 họ chớnh là:
HSP70 (DnaK), chaperonin (HSP60), HSP90, HSP100 và sHSP (small HSP). Các phõn tử HSP ủược ủịnh vị trong tế bào chất và cỏc bào quan như: nhõn, ty thể, lục lạp và lưới nội chất. Cú hai họ MGPT ủược nghiờn cứu nhiều nhất là chaperonin và HSP70 [218], HSC70 (thuộc họ HSP70) ủó ủược phõn lập ở ủậu xanh [229].
Vai trũ của cỏc gen liờn quan ủến tớnh chống chịu
Những thay ủổi húa sinh do tỡnh trạng thiếu nước gõy ra cú liờn quan ủến một mạng lưới truyền tớn hiệu tế bào phức tạp, ủũi hỏi cỏc yếu tố phiờn
mã, proteinkinase và phosphatase. Các yếu tố này sẽ kích hoạt sự biểu hiện của cỏc gen liờn quan. Hầu hết cỏc gen này ủược kớch hoạt bởi tỏc ủộng ngoại sinh của ABA. Sự tương ủồng giữa hậu quả của việc thiếu nước và ứng dụng của ABA là một gợi ý cho thấy phản ứng của cõy trồng cú thể giải quyết ủược thụng qua những thay ủổi về hàm lượng của ABA nội sinh.
Trong thực tế, cỏc nghiờn cứu về phản ứng của cơ thể thực vật ủối với ủiều kiện thiếu nước ở mức phõn tử ủó cho thấy những thay ủổi trong biểu hiện gen và một số lớn cỏc gen liờn quan ủến hạn hỏn cũng ủó ủươc xỏc ủịnh [121].
Ngoài cỏc phương phỏp truyền thống, phương phỏp di truyền phõn tử ủược coi là rất quan trọng ủể cải thiện tớnh chống chịu của thực vật. Một loạt cỏc kỹ thuật và chiến lược về kỹ thuật phõn tử ủó cho phộp xỏc ủịnh cỏc gen tham gia vào phản ứng stress. Trong thực tế, các nghiên cứu về các phản ứng phân tử ủối với tỡnh trạng thiếu nước ủó cho thấy những thay ủổi trong biểu hiện gen, một số lớn cỏc gen liờn quan ủến tớnh chịu hạn ủó ủược xỏc ủịnh [95], [199].
LEA (Late-embryogenesis-abudant protein) là protein có vai trò bảo vệ thực vật bậc cao khi mụi trường xảy ra stress, ủặc biệt là hạn. LEA là sản phẩm của một trong những nhúm gen liờn quan ủến sự mất nước của tế bào thực vật. Protein LEA hạn chế sự mất nước do ủiều kiện ngoại cảnh bất lợi và ủúng vai trũ ủiều chỉnh quỏ trỡnh mất nước sinh lý khi hạt chớn [106]. Protein LEA ủược tạo ra hàng loạt trong giai ủoạn muộn của quỏ trỡnh hỡnh thành phụi. Protein LEA cú những ủặc ủiểm sau: giàu axit amin ưa nước, khụng chứa cystein và tryptophan, có khả năng chịu nhiệt. Protein LEA có vai trò cô lập ion, bảo vệ protein của màng tế bào, phõn hủy protein biến tớnh, ủiều chỉnh áp suất thẩm thấu.
Gen LTP (Lipid transfer proteins) là một nhóm protein có số lượng lớn trong thực vật bậc cao (chiếm tới 4% tổng số protein hòa tan). Ở thực vật, LTP không chỉ tham gia vào sự hình thành lớp cutin – có vai trò quan trọng
trong việc bảo vệ mô thực vật tránh khỏi sự mất nước và quá trình phát sinh phôi mà còn tham gia các phản ứng chống lại tác nhân gây bệnh ở thực vật và quỏ trỡnh thớch nghi của cõy ủối với cỏc ủiều kiện khỏc nhau của mụi trường sống. LTP còn hỗ trợ việc tạo ra lớp sáp hoặc lớp biểu bì giúp thực vật bảo vệ, phản ứng và trả lời lại những thay ủổi của mụi trường. Khi stress hạn, LTP ủược tăng cường tổng hợp ở lớp ngoại biểu bỡ làm thực vật cú thể giảm mất nước nhờ tăng ủộ dày của lớp vỏ ngoài [125].
Gen PI-PLC (Phosphoinosit – specific phospholipase C) gọi tắt là PLC ủược ủịnh vị nhiều ở màng sinh chất, hoạt ủộng ủặc biệt khi cú stress hạn và muối. PLC cần thiết cho sự ủiều chỉnh lỗ khớ, như vậy gen này cú liờn quan ủến khả năng chịu hạn của thực vật [117].
Cỏc gen liờn quan ủến tớnh chịu hạn mó húa cỏc protein ủược coi là cú vai trò quan trọng trong phản ứng chống lại sự thiếu nước. Chúng có khả năng chịu khụ hạn, bảo vệ cấu trỳc tế bào hoặc tham gia vào cỏc ủường truyền tớn hiệu dẫn ủến cảm ứng gen trong ủiều kiện hạn [199]. Tuy nhiờn cho ủến nay, vai trũ chớnh của cỏc gen này vẫn chưa ủược sỏng tỏ mà mới chỉ là những gen
“liờn quan ủến tớnh chịu hạn”. Cỏc nhà tạo giống cõy trồng ủó cố gắng tỡm hiểu cơ chế chống chịu hạn ở mức phõn tử này nhằm chủ ủộng tạo cỏc biến ủổi di truyền, phỏt triển cỏc giống cú khả năng chống chịu hạn tốt. Chớnh vỡ vậy, việc sử dụng cỏc kỹ thuật phõn tử ủó trở thành cụng cụ cú giỏ trị trong việc xỏc ủịnh gen liờn quan ủến tớn chịu hạn. Những kỹ thuật này cho phộp cỏc nhà tạo giống tạo và nhõn cỏc giống cú những ủặc tớnh mà họ quan tõm.