Vai trò của prolin, ựường trong việc ựiều hòa áp 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, ựường, axit amin prolin và axit hữu cơ khác, các loại rượu
ựa chức hay các ion (chủ yếu là ion K+). Hầu hết các loại chất hữu cơ hòa tan có tác dụng ựiều chỉnh áp suất thẩm thấu ựược sinh ra ngay trong quá trình
ựồng hóa và trao ựổi chất. Quá trình thủy phân các hydratcacbon dự trữ cũng là nguồn cung cấp chất tan rất dồi dào cho quá trình ựiều chỉnh áp suất thẩm thấụ Các chất này có khả năng ựiều chỉnh áp 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 trắ 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 các chất liên quan ựến sự thẩm thấu ở tế bào thực vật ựược chú ý ựó là prolin. Sự tắch lũy prolin trong ựiều kiện hạn ựã ựược nghiên cứu ở nhiều loài thực vật như: ựậu xanh [14], khoai tây [101], lúa mạch [109], hướng dương
[192], cà chua [223]... Các kết quả ựã cho thấy, hàm lượng prolin tăng lên khi thực vật bị hạn [33], [37], [192], [230].
Hiện nay, các nhà khoa học ựang nghiên cứu, phân lập và chuyển gen tổng hợp prolin trên nhiều ựối tượng cây trồng khác nhaụ P5CS (pyroline-5- cacboxylate synthase) là enzym chìa khóa trong tổng hợp prolin ựã ựược nghiên cứu và chuyển vào lúa mì, khoai tây, ựậu tương [115], [183], [190], [200], [215].
Vai trò của protein sốc nhiệt (Heat Shock Protein Ờ HSP)
Cơ chế hóa sinh có tác dụng bảo vệ tế bào trong ựiều kiện bị mất nước là sự khử ựộc các sản phẩm (NH3) ựược tạo nên trong quá trình phân giải các hợp chất cao phân tử chứa nitơ như proteinẦ ựồng thời xúc tiến sự bảo vệ
ADN cũng như phục hồi các cấu trúc sinh học bị hư hại với sự tham gia của các protein sốc ựặc hiệụ Khi cơ thể thực vật bị mất nước do nhiệt ựộ cao tác
ựộng, các protein sốc nhiệt (heat shock protein Ờ HSPs) bảo vệ bộ gen của tế
bào trong thời gian bịựiều kiện bất lợi tác ựộng [216]. Khi qua stress, protein sốc nhiệt tách ra khỏi ADN và gen trở lại hoạt ựộng bình thường.
Trong ựiều kiện hạn chế về nước, việc tổng hợp các protein sốc nhiệt (HSP), enzym peroxydase, sự phân giải protein, các protein tham gia vận chuyển nước ựã ựược nghiên cứu khá nhiềụ
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 rạ Trong tế bào thực vật, HSP tập trung thành hạt sốc nhiệt ( HSG - Heat Sock Granules). Quan sát dưới kắnh hiển vi ựiện tử, các hạt sốc nhiệt - HSG gồm phức hợp HSP và mRNẠ Người ta cho rằng, các hạt sốc nhiệt gắn kết trên mRNA ựể ngăn cản sự phân hủy của mRNA khi gặp stress. HSP ựược xuất hiện trong cả các quá trình sinh trưởng bình thường và các giai ựoạn biệt hóa mô. Chúng còn ựược tổng hợp thêm trong
ựiều kiện cực ựoan của môi trường. Trong thời gian bị stress tác ựộng, tắnh thấm của màng sinh chất tăng lên, các HSP bảo vệ bộ gen của tế bào, nhờ vậy tế bào duy trì ựược sức ựề kháng ựối với ựiều kiện bất lợị Sự tồn tại của các HSP có tác dụng ổn ựịnh màng sinh chất, hạn chế sự gia tăng tắnh thấm của nó.
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 nhóm HSP có rất nhiều ựại diện của chất môi giới phân tử (MGPT) (HSP70, HSP60), nhưng cũng có những HSP không phải là MGPT, vắ dụ như HSP8,5 kDa (Ubiquitin). Ubiquitin ựược mệnh danh là nhân tố bảo vệ tế bào, chúng có hoạt tắnh protease, thực hiện chức năng phân giải các protein bị biến tắnh, không có cấu trúc không gian ựúng, ngăn chặn các protein này gây ựộc cho tế
bàọ Ubiquitin ựóng vai trò quan trọng trong việc tự sửa chữa tế bào bằng cách loại bỏ các protein biến tắnh khi gặp yếu tố cực ựoan.
Các MGPT là yếu tố chìa khóa tham gia nội cân bằng tế bào trong các
ựiều kiện sinh trưởng cực thuận và ựối lập. MGPT là một nhóm gồm nhiều loại protein khác nhaụ Phần lớn các MGPT có hoạt tắnh ATPasẹ Chức năng chắnh của MGPT là tham gia tạo cấu trúc không gian ựúng cho protein mới
ựược tổng hợp, sau ựó chuyển protein này qua màng, duy trì cấu trúc ựặc hiệu của protein, ngăn chặn sự hủy hoại protein chưa tạo cấu trúc không gian, khởi
ựầu cho sự phân hủy protein biến tắnh [22], [218]. MGPT có 5 họ chắnh là: HSP70 (DnaK), chaperonin (HSP60), HSP90, HSP100 và sHSP (small HSP). Các phân tử HSP ựược ựịnh vị trong tế bào chất và các bào quan như: nhân, ty thể, lục lạp và lưới nội chất. Có hai họ MGPT ựược nghiên cứu nhiều nhất là chaperonin và HSP70 [218], HSC70 (thuộc họ HSP70) ựã ựược phân lập ởựậu xanh [229].
Vai trò của các gen liên quan ựến tắnh chống chịu
Những thay ựổi hóa sinh do tình trạng thiếu nước gây ra có liên quan
mã, proteinkinase và phosphatasẹ Các yếu tố này sẽ kắch hoạt sự biểu hiện của các gen liên quan. Hầu hết các gen này ựược kắch hoạt bởi tác ựộng ngoại sinh của ABẠ Sự tương ựồng giữa hậu quả của việc thiếu nước và ứng dụng của ABA là một gợi ý cho thấy phản ứng của cây trồng có thể giải quyết ựược thông qua những thay ựổi về hàm lượng của ABA nội sinh.
Trong thực tế, các nghiên cứu về phản ứng của cơ thể thực vật ựối với
ựiều kiện thiếu nước ở mức phân tử ựã cho thấy những thay ựổi trong biểu hiện gen và một số lớn các gen liên quan ựến hạn hán cũng ựã ựươc xác ựịnh [121]. Ngoài các phương pháp truyền thống, phương pháp di truyền phân tử ựược coi là rất quan trọng ựể cải thiện tắnh chống chịu của thực vật. Một loạt các kỹ
thuật và chiến lược về kỹ thuật phân tửựã cho phép xác ựịnh các gen tham gia vào phản ứng stress. Trong thực tế, các nghiên cứu về các phản ứng phân tử ựối với tình trạng thiếu nước ựã cho thấy những thay ựổi trong biểu hiện gen, một số lớn các gen liên quan ựến tắnh chịu hạn ựã ựược xác ựịnh [95], [199].
LEA (Late-embryogenesis-abudant protein) là protein có vai trò bảo vệ
thực vật bậc cao khi môi trường xảy ra stress, ựặc biệt là hạn. LEA là sản phẩm của một trong những nhóm gen liên quan ựến sự mất nước của tế bào thực vật. Protein LEA hạn chế sự mất nước do ựiều kiện ngoại cảnh bất lợi và
ựóng vai trò ựiều chỉnh quá trình mất nước sinh lý khi hạt chắn [106]. Protein LEA ựược tạo ra hàng loạt trong giai ựoạn muộn của quá trình hình thành phôị Protein LEA có những ựặc ựiểm sau: giàu axit amin ưa nước, không chứa cystein và tryptophan, có khả năng chịu nhiệt. Protein LEA có vai trò cô lập ion, bảo vệ protein của màng tế bào, phân hủy protein biến tắnh, ựiều chỉnh áp suất thẩm thấụ
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 Ờ có vai trò quan trọng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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 quá trình thắch nghi của cây ựối với các ựiều kiện khác nhau của môi 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 ựổi của môi trường. Khi stress hạn, LTP
ựược tăng cường tổng hợp ở lớp ngoại biểu bì làm thực vật có thể giảm mất nước nhờ tăng ựộ dày của lớp vỏ ngoài [125].
Gen PI-PLC (Phosphoinosit Ờ specific phospholipase C) gọi tắt là PLC
ựược ựịnh vị nhiều ở màng sinh chất, hoạt ựộng ựặc biệt khi có stress hạn và muốị PLC cần thiết cho sự ựiều chỉnh lỗ khắ, như vậy gen này có liên quan
ựến khả năng chịu hạn của thực vật [117].
Các gen liên quan ựến tắnh chịu hạn mã hóa các protein ựược coi là có vai trò quan trọng trong phản ứng chống lại sự thiếu nước. Chúng có khả năng chịu khô hạn, bảo vệ cấu trúc tế bào hoặc tham gia vào các ựường truyền tắn hiệu dẫn ựến cảm ứng gen trong ựiều kiện hạn [199]. Tuy nhiên cho ựến nay, vai trò chắnh của các gen này vẫn chưa ựược sáng tỏ mà mới chỉ là những gen Ộliên quan ựến tắnh chịu hạnỢ. Các nhà tạo giống cây trồng ựã cố gắng tìm hiểu cơ chế chống chịu hạn ở mức phân tử này nhằm chủ ựộng tạo các biến
ựổi di truyền, phát triển các giống có khả năng chống chịu hạn tốt. Chắnh vì vậy, việc sử dụng các kỹ thuật phân tử ựã trở thành công cụ có giá trị trong việc xác ựịnh gen liên quan ựến tắn chịu hạn. Những kỹ thuật này cho phép các nhà tạo giống tạo và nhân các giống có những ựặc tắnh mà họ quan tâm.