5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.2.2.2. Cơ sở sinh học phân tử của tính chịu hạn ở cây ngô
Tính chịu nóng hạn của cây trồng đƣợc hình thành trong quá trình tiến hoá tự nhiên, do một hệ đa gen quyết định, biểu hiện trong các giai đoạn phát triển khác nhau của cây [41]. Kết quả phân tích microarray ở đối tƣợng Arabidopsis
khi sử dụng 1300 cDNA cho thấy có khoảng 44 gen. Ngày nay vẫn chƣa tìm đƣợc gen thực sự quyết định tính chịu hạn, mà mới chỉ tìm thấy các gen liên quan đến tính chịu hạn [150]. Các gen chịu hạn của những cây hạn sinh lý vẫn là vấn đề nghiên cứu lý thú đối với các nhà khoa học.
Yếu tố ARE (Antioxidant Responsive Element) có trong vùng promoter của các gen glutathion stransferase, Mn- Superoxide dismutase (Mn-SOD). Vai trò của ARE là kích hoạt các gen này biểu hiện thành sản phẩm protein trong điều kiện cực đoan oxy hoá. Những yếu tố này cũng tìm thấy trong vùng promoter của các gen chống oxy hoá ở thực vật (cat của ngô). Vai trò của các yếu tố này là hoạt hoá các gen chống oxy hoá và các gen chống chịu trong các điều kiện hạn, lạnh... Vùng promoter của 3 gen cat đƣợc nghiên cứu rất kỹ. Chúng có những yếu tố hoạt hóa phiên mã nhƣ ARE, AP-1, NF- KB [153].
Hiện nay các nhà khoa học đã phân lập đƣợc 30 gen khác nhau thuộc thành viên của nhóm dehydrin ở những cây trồng khác nhau. Một số gen mã hoá protein dehydrin ở ngô (chủ yếu là giống ngô lai) đã đƣợc công bố trên ngân hàng trình tự gen quốc tế. Nghiên cứu về gen dehydrin dhn1 ở 2 giống ngô chịu hạn (DF1 và DF2) từ DNA hệ gen của Trần Thị Phƣơng Liên (2005) cho thấy gen này có trình tự 628bp, trình tự axit amin suy diễn dài 169 axit amin có cấu trúc Y2SK2 [9].
Một trong những cơ chế để nâng cao khả năng chịu hạn và chịu muối là điều chỉnh áp suất thẩm thấu và loại bỏ các gốc tự do. Những thử nghiệm đầu tiên về hƣớng này đã đƣợc thực hiện. Nguyễn Thị Thuý Hƣờng (2011) đã chuyển gen P5CS mã hóa enzyme tham gia tổng hợp proline vào cây thuốc lá. Sau khi gây hạn nhân tạo, hàm lƣợng proline tăng rất mạnh so với trƣớc gây hạn ở tất cả các dòng cây nghiên cứu, đặc biệt các dòng cây chuyển gen. Sau 9 ngày gây hạn, proline ở cây đối chứng không chuyển gen tăng 206,8 %, trong khi ở cây chuyển gen tăng từ 259,5- 451,8% [8].
Hƣớng tiếp theo để nghiên cứu sử dụng công nghệ gen tăng cƣờng tính chống chịu sẽ là: điều khiển sự biểu hiện và hoạt tính của các hệ vận chuyển K+ (qua hoạt tính của protein tạo kênh chuyển- aquaporin); tăng cƣờng sự thoát các ion Na+ của tế bào rễ, tonoplast; tăng cƣờng điều chỉnh áp suất thẩm thấu; tăng cƣờng cơ chế bảo vệ tế bào bằng các phản ứng trao đổi chất đặc hiệu trong tế bào nhờ có protease, protein sốc nhiệt, loại bỏ các gốc tự do... [10]
Nghiên cứu cơ sở phân tử của tính chống chịu theo hƣớng khả năng bảo vệ của tế bào khỏi tác động của điều kiện cực đoan là nghiên cứu vai trò của nhóm protein sốc nhiệt, trong đó có các chất MGPT- Moleculer chaperone, ubiquitin, protease, amylase, protein LEA...
Nhóm 1: nhóm có chức năng chịu hạn bao gồm MGPT, protein LEA, protein kênh chuyển nƣớc qua màng, đƣờng, proline, transporters detoxification
enzyme, protein antifreeze,... Protein LEA, MGPT và mRNA binding protein đã đƣợc nghiên cứu về mặt hóa sinh, và chỉ ra rằng chúng tham gia bảo vệ các cấu trúc đại phân tử nhƣ các enzyme, lipit và mRNA khỏi bị mất nƣớc. Proline, glycine, betaine và đƣờng thực hiện chức năng nhƣ các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu [41], [191].
Nhóm 2: các protein có chức năng điều khiển sự biểu hiện gen và có thể có chức năng trong việc phản ứng đối với tình trạng hạn nhƣ protein kinase, nhân tố phiên mã và các enzyme trong chuyển hoá phospholipit. Gen mã hoá cho nhân tố phiên mã có chứa DNA binding motif. Chúng có vai trò điều hoà các gen chức năng dƣới tác động của điều kiện cực đoan. Protein kinase hoặc phosphatase có thể tham gia cải biến (hoặc sửa đổi) những protein chức năng hoặc protein điều hoà tham gia vào chu trình truyền tín hiệu khi gặp điều kiện cực đoan[88].
Theo Boston (1996), chức năng chính của MGPT ở thực vật là: tham gia tạo cấu trúc không gian đúng cho protein mới tổng hợp từ bƣớc đầu tiên đến cuối cùng; duy trì cấu trúc đặc hiệu của protein; ngăn chặn sự huỷ hoại protein chƣa tạo cấu trúc đúng; khởi đầu cho sự phân huỷ protein bị biến tính. Nhƣ vậy MGPT có chức năng rất quan trọng khi các tế bào gặp điều kiện cực đoan, nhất là sốc nhiệt [90].
Protein LEA đóng vai trò quan trọng trong sự chịu khô hạn của hạt. Protein LEA rất khác nhau giữa cây Một lá mầm và Hai lá mầm. Chúng thay thế vị trí nƣớc trong tế bào, và thực hiện các chức năng nhƣ: cô lập ion, bảo vệ protein màng tế bào, huỷ protein biến tính, điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Protein LEA có trong dịch bào, ty thể, không bào, lục lạp, và vùng lân cận màng tế bào. Các nhà khoa học nhận thấy rằng một số intron nhất định trong gen có thể thúc đẩy sự biểu hiện gen ở cây tăng lên nhiều lần, đặc biệt đƣợc nghiên cứu kỹ ở ngô [10]. Protein LEA đƣợc chia thành các nhóm: 1- D19, 2- D11, 3-D7, 4- D113, 5-
D29, 6- D95 [191].
Phần lớn các gen chịu cảm ứng điều hiện khô hạn đều cảm ứng với điều kiện mặn. Một trong số gen này còn chịu cảm ứng điều kiện lạnh, phụ thuộc vào phản ứng với ABA. Những đƣờng dẫn truyền tín hiệu này chia thành 2 loại: (1) Phụ thuộc vào ABA: đòi hỏi tổng hợp protein MYC, MYB hoặc không cần; (2) Không phụ thuộc vào ABA: yếu tố phản ứng với mất nƣớc DRE tham gia vào việc điều hòa biểu hiện gen.
DRE đƣợc đặt tên cho trình tự 9 bp TACCGACAT. Yếu tố protein gắn với trình tự DRE (DREBS) ở vùng promoter. Những protein này chứa các các vùng bảo thủ nhƣ các protein EREBP (tham gia biểu hiện ethylene responsive gene), AP2 (tham gia trong quá trình biểu hiện kiểu hình của thực vật có hoa). Các gen
rd19, rd21 mã hóa cho thiol protease; erd1 mã hóa cho tiểu phần điều hòa của protease CLP, là những gen chỉ cảm ứng bởi hạn, mà không cảm ứng bởi ABA hay điều kiện lạnh [10].
Từ những năm 90 của thế kỷ XX đến nay, đã có nhiều công trình trong nƣớc quan tâm nghiên cứu đến khả năng chịu hạn của cây ngô. Đó là các kết quả đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô trên đồng ruộng [18]; đánh giá khả năng chịu hạn của cây ngô non trong điều kiện hạn nhân tạo [13], [24]; phân lập gen dehydrin dhn1/rab17 từ DNA hệ gen [9]; nghiên cứu chọn tạo dòng thuần ngô bằng phƣơng pháp nuôi cấy hạt phấn [5], [21]; nghiên cứu hệ thống tái sinh phục vụ chuyển gen ở ngô [19]... Hiện nay trên thế giới cũng đã và đang tiến hành một hƣớng nghiên cứu về sắc tố anthocyanin liên quan đến hạn ở một số đối tƣợng thực vật. Ở Việt Nam, còn ít công trình đề cập đến sắc tố chỉ thị này, đặc biệt đối với các giống ngô nếp địa phƣơng.