3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4. Khả năng chịu hạ nở thực vật
Tính chống chịu với môi trường khô hạn được đánh giá là liên quan khá chặt chẽ với khả năng dự trữ nước trong cơ thể và nhờ vậy chúng tránh được sự mất nước. Khả năng của tế bào thay đổi tốc độ và chiều hướng trao đổi chất sao cho trong điều kiện môi trường khô hạn vẫn tạo ra những sản phẩm cần thiết để duy trì sự sống được xem là khả năng chống chịu hạn của cây trồng. Do thiếu nước, lượng nước hút vào cây không bù đắp được lượng nước bay hơi đi qua các bộ phận trên mặt đất, làm cho cây mất cân bằng nước và bị héo. Có ba loại hạn cơ bản là hạn đất, hạn không khí và hạn sinh lý. Hạn sinh lý kéo dài cũng tác hại như hạn đất và hạn không khí. Nếu hạn đất kết
hợp với hạn không khí thì mức độ tác hại đối với cây trồng còn tăng lên nhiều (Hoàng Minh Tấn và CS., 2006) [13].
- Khô hạn làm biến tính keo nguyên sinh chất:
Cây trồng khi bị thiếu nước sẽ làm tăng độ nhớt chất nguyên sinh, làm chậm các hoạt động sống, giảm mức độ phân tán, khả năng thuỷ hoá và tính đàn hồi của keo nguyên sinh chất. Thay đổi đặc tính hoá keo từ trạng thái sol rất linh động thuận lợi cho các hoạt động sống sang trạng thái coaxecva hoặc gel kém linh động, làm cản trở các hoạt động sinh lý, sinh hóa của cây trồng (Mahdi., 2012).
- Khô hạn làm đảo lộn quá trình trao đổi chất và quang hợp:
Sinh tổng hợp là một hoạt động đặc trưng của sự sống diễn ra trong môi trường thuận lợi. Trong điều kiện thiếu nước, các hoạt động này có xu hướng giảm đi và được thay thế bởi các quá trình phân giải. Quá trình phân giải quan trọng nhất là phân giải protein và axit nucleic, kết quả là giải phóng và tích luỹ NH3 gây độc cho cây và có thể làm chết cây. Thiếu nước sẽ ức chế hoạt động quang hợp. Do khí khổng đóng nên thiếu CO2, lục lạp có thể bị phân huỷ, ức chế tổng hợp diệp lục; lá bị héo và khô chết là giảm diện tích quang hợp; sự vận chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá và về cơ quan dự trữ bị tắc nghẽn.
Thiếu nước ban đầu sẽ làm tăng hô hấp vô hiệu, về sau giảm hô hấp nhanh, hiệu quả sử dụng năng lượng của hô hấp rất thấp vì hô hấp sản sinh nhiệt là chính. Hạn làm mất cân bằng nước trong cây, lượng nước thoát ra lớn hơn lượng nước hấp thu vào cây làm cho cây bị héo. Dòng vận chuyển vật chất trong cây bị ức chế rất mạnh. Sự hút chất khoáng giảm do tốc độ dòng thoát hơi nước giảm. Thiếu nước kìm hãm tốc độ vận chuyển chất đồng hoá về các cơ quan dự trữ và có thể có hiện tượng “chảy ngược dòng” các chất đồng hoá từ các cơ quan dự trữ về các cơ quan sinh dưỡng. Kết quả cuối cùng là làm giảm năng suất kinh tế của cây trồng (Habibzadeh and Moosavi.,
2014). Thiếu nước làm giảm cường độ quang hợp trong cây đậu xanh, bộ rễ phát triển kém (Debashree et al., 2013) [27].
- Khô hạn kìm hãm quá trình sinh trưởng, phát triển:
Thiếu nước làm cản trở sự phân chia của các tế bào đỉnh sinh trưởng, quá trình dãn nở của tế bào cũng bị ức chế (Ranawake et al., 2011) [48]. Do đó nước đóng vai trò tối quan trọng trong sự sinh trưởng của tế bào. Sự khô hạn đồng nghĩa với độ ẩm tương đối giảm mạnh, nhiệt độ tăng nhanh, khả năng cung cấp nước giảm. Đây là nguyên nhân chính của sự khô héo ở cây đậu xanh và hậu quả của nó chính là đã làm biến tính protein, phân hủy tế bào chất, làm suy giảm quá trình phosphoryl hóa đường cũng như quá trình chuyển hóa năng lượng. Ngoài ra sự khô hạn cũng làm tăng quá trình hydrat hóa các polyme sinh học trong tế bào (Lalinia et al., 2011) [35]. Sự thiếu nước trong tế bào cũng làm biến đổi tính keo của tế bào chất cũng như các rối loạn chuyển hóa liên quan khác. Sự khô hạn cũng sẽ làm chậm hoặc ngăn chặn sự tăng trưởng của cây trồng, thậm chí có thể làm cây chết hàng loạt và thất thu nghiêm trọng. Thiếu nước cũng làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến quá trình phân hoá hoa và đặc biệt là quá trình thụ tinh. Trong điều kiện hạn, hạt phấn không nảy mầm, ống phấn không sinh trưởng, sự thụ tinh không xảy ra và hạt sẽ bị lép, đây chính là nguyên nhân làm giảm năng suất ở đậu xanh. Hạn hán là một trong những yếu tố phi sinh học ảnh hưởng lớn nhất đến các hoạt động sinh lý, sinh hóa ở đậu xanh cũng như gây tổn thất nghiêm trọng đến sản xuất đậu xanh trên phạm vi toàn cầu. Sinh trưởng trong môi trường thiếu nước, thời gian sinh trưởng của cây đậu xanh bị rút ngắn, làm giảm năng suất tới 24,9% so với điều kiện bình thường (Sissay et al., 2014). Đồng thời, làm giảm tốc độ sinh trưởng thân, rễ, giảm DTL và nốt sần. Cường độ quang hợp giảm do sắc tố trong lá giảm và kết quả là năng suất bị suy giảm một cách đáng kể (Kumar and Sharma., 2013) [34].
Dựa trên mối liên hệ với nước, thực vật được chia thành ba nhóm: cây thủy sinh (hydrophytes), cây trung sinh (mesophytes) và cây chịu hạn (xerophytes). Cây chịu hạn có thể được chia thành hai nhóm tùy thuộc vào phương thức chịu hạn. Một nhóm bao gồm các cây có khả năng chịu đựng và phục hồi trở lại trạng thái hoạt động quang hợp sau khi bị khô trong một thời gian ngắn, trong khi nhóm còn lại tránh khô hạn. Thực vật trong nhóm thứ hai có một hệ thống hấp thụ nước cải tiến hoặc cơ quan trữ nước, dẫn nước có hiệu quả trong cây hoặc một hệ thống thoát hơi hạn chế, hoặc tất cả hay kết hợp của các đặc tính này. Hơn nữa, cây trong nhóm này được cho là có các hệ thống độc đáo cho phép chịu stress, vì chúng có thể bảo vệ bộ máy quang hợp và các thành phần tế bào mỏng manh khác khỏi nhiều stress phức hợp trong các môi trường khắc nghiệt. Thiếu mưa trong môi trường tự nhiên gây ra sự khô hạn trong khí quyển và đất, ở đất chủ yếu là do sự bốc hơi của nước khỏi bề mặt đất vào ban ngày. Thực vật cần các hệ thống thích hợp ở cả rễ và lá để cảm nhận sự khô hạn của môi trường.
Để tăng tối đa năng suất, thực vật tối ưu hoá hình thái, sinh lý và trao đổi chất của các cơ quan và tế bào của chúng; tuy nhiên, chính chiến lược này gây ra nguy cơ thiếu hụt nước. Bởi vậy, thực vật đã được trang bị nhiều cơ chế khác nhau để thích nghi với các môi trường thiếu nước.
Các đáp ứng sinh lý đối với môi trường khô hạn - Cảm nhận môi trường khô hạn:
Gặp điều kiện khô hạn, để hạn chế mất nước, cây tự đóng khí khổng, điều chỉnh áp suất thẩm thấu, thay đổi hình thái cấu trúc như cuộn lá lại, phủ lớp lông dày, rụng lá… (Placide et al., 2014) [45]. Lá cây có thể đóng các lỗ khí ngay khi cảm thấy sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa lá và không khí tăng lên, ngay cả khi hệ rễ có đủ nước; phản ứng này hoàn thành trong vài phút (Assmann et al., 2000) [18]. Do sự đối mặt của lá với không khí khô làm
giảm sức trương của tế bào biểu bì và tốc độ thoát hơi nước không có bất cứ ảnh hưởng đáng kể nào tới thế nước của lá, các vị trí cảm nhận tín hiệu khí quyển khô và tổng hợp ABA được cho là ở gần hoặc trong các tế bào bảo vệ. Mặc dù các gen ABA được biết là được điều khiển tăng trong điều kiện hạn hán, sự đóng nhanh của khí khổng cũng đã được quan sát thấy trong các đột biến abi1 và aba2 của Arabidopsis (Assmann et al., 2000) [18].
ABA được tổng hợp từ carotenoid bởi các enzyme tổng hợp ABA được cảm ứng trong các tế bào chóp rễ hoặc các tế bào nhu mô của bó mạch bởi các stress khô hạn và muối. ABA được tổng hợp trong rễ đi vào các mạch xylem và được vận chuyển đến lá. Tỷ lệ dạng tự do so với các dạng liên kết của ABA trong nhựa xylem thay đổi từ cây này sang cây khác, nhưng trong tất cả các loài, tổng lượng ABA đều tăng đáng kể do các stress hạn hán và muối (Sauter et al., 2002) [51]. Các tế bào bảo vệ trong lá của cây sinh trưởng trong điều kiện tưới tiêu tốt có kích thước lớn, ngược lại, các lỗ khí của cây sinh trưởng trong điều kiện nước hạn chế thì nhỏ hơn nhưng dày đặc hơn. Việc đóng khí khổng ở nhiều thực vật không hoàn toàn ngay cả sau khi áp dụng nồng độ ABA cao. Tuy nhiên, cây trồng trên đồng ruộng khí khổng đóng gần như hoàn toàn và tốc độ thoát hơi gần như bằng không trong thời gian stress hạn hán nghiêm trọng.
Gặp điều kiện khô hạn, trong cây hình thành các gốc oxy phản ứng. Các gốc này phá hủy lipid, carbohydrate, protein ở màng trong tế bào. Cây có cơ chế bảo vệ chống lại gốc oxy phản ứng để hạn chế tác hại của hạn (Zlako and Fernando., 2012) [60].
- Phản ứng của hệ thống quang hợp ở lá đối với môi trường khô hạn: Trong quá trình hạn hán, thực vật nỗ lực để bảo vệ khỏi sự bốc hơi bằng cách đóng khí khổng. Tuy nhiên, nhiều loại cây bị mất nước qua các khí khổng vẫn còn mở cũng như qua lớp biểu bì của chúng. Độ dẫn nước của lớp
biểu bì khác nhau rất nhiều từ loài này sang loài khác. Do nước trong lá bị mất, áp suất trương của các mô lá giảm và lá bắt đầu héo. Héo hoặc quăn lá là để bảo vệ bộ máy quang hợp khỏi tia trực tiếp của mặt trời. Hình thái của cơ thể thực vật cũng như các đặc điểm phân tử và hóa sinh của các cơ quan quang hợp đã tiến hóa để tối đa hoá việc hấp thu photon và sử dụng các photon này trong việc cố định CO2. Theo đó, đóng khí khổng trong điều kiện hạn hán làm cho thực vật không còn tiêu thụ nhiều năng lượng mặt trời nhất.
- Những ảnh hưởng đầu tiên khi bị hạn hán:
Thực vật chịu sự tác động chênh lệch rất lớn về cường độ ánh sáng, từ ánh sáng mặt trời chói chang vào ban ngày đến tối sẫm vào ban đêm. Ánh sáng cường độ cao rất có hại cho thực vật trong điều kiện khô hạn, ngay cả khi có các hệ thống chịu hạn. Việc giảm một số hoạt tính hóa sinh tương ứng khá tốt với các giảm sút về độ dẫn truyền qua khí khổng, nhưng không tương ứng với các giảm sút về hàm lượng nước tương đối hay thế nước trong thịt lá, trong quá trình hạn hán tiến triển. Quá trình hóa sinh đầu tiên bị suy giảm trong hạn hán là tổng hợp ATP. Sự tái sinh RuBP, liên quan đến quá trình này cũng mẫn cảm đối với stress khô hạn nhẹ. Ở các điều kiện hạn hán nghiêm trọng hơn, sự vận chuyển điện tử giảm xảy ra trước khi PSII bị các tổn thương (Flexas and Medrano., 2002) [29].
Chất tan tương thích và stress khô hạn
- Nhiều sinh vật khác nhau tổng hợp và tích lũy các hợp chất phân tử nhỏ, được gọi là chất tan tương thích (chất thẩm thấu hoặc chất bảo vệ thẩm thấu) trong tế bào như một cách chống chịu các stress, ví dụ hạn hán, nồng độ muối cao... Nói chung, chất tan tương thích được hòa tan ở nồng độ cao mà không bị cản trở bởi các thành phần khác của tế bào. Ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy sự tích tụ chất tan tương thích trong cây tạo ra tính đề kháng đối với nhiều stress khác nhau như hạn hán, nhiệt độ cao và độ mặn
cao (Chen and Murata., 2002) [26]. Chất tan tương thích góp phần vào tính chống chịu stress bằng cách hoạt động như những chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu, vì khả năng hoà tan mạnh trong nước của chúng hoạt động như một thay thế cho các phân tử nước thoát ra từ lá.
- Nồng độ cao của chất tan tương thích có thể làm tăng áp suất thẩm thấu của tế bào. Chất tan tương thích, với tính cực kỳ ưa nước của nó, cũng có thể thay thế các phân tử nước xung quanh các nucleic acid, protein và màng trong tình trạng thiếu nước (Hoeskstra et al., 2001) [31]. Thiếu nước tế bào làm tăng nồng độ các ion gây mất ổn định cho các đại phân tử. Chất tan tương thích có thể ngăn chặn sự tương tác giữa các ion này và các thành phần của tế bào bằng cách thay thế các phân tử nước xung quanh các thành phần này, do đó, bảo vệ chống lại tình trạng bất ổn trong thời gian hạn hán. Lá đóng khí khổng để tránh bốc hơi nước trong thời kỳ hạn hán, hệ quả là, dòng chảy của CO2 vào lá dừng lại. Kết quả là, năng lượng mặt trời không được sử dụng để cố định CO2, thay vào đó được sử dụng để hình thành các phân tử oxygen hoạt tính trong lục lạp. Superoxide và hydrogen peroxide được phân hủy bởi các enzym đặc hiệu đối với các gốc oxygen hoạt tính này.
Truyền tín hiệu và biểu hiện gen trong quá trình stress nước - Cảm nhận khô hạn và phát tín hiệu đường dài:
Rễ cây có bộ máy giúp nó cảm nhận được độ khô của đất và rễ hướng theo hướng ẩm (hydrotropism) (Eapen et al., 2005) [28]. Tuy nhiên, cách thức tế bào rễ cảm nhận được trạng thái ẩm của đất vẫn chưa rõ ràng. Tín hiệu thiếu nước gửi đi từ rễ khi có stress nước được chuyển đến lá thông qua nhiều hơn một đường truyền tín hiệu; tín hiệu chính là acid abscisic (ABA).
- Tín hiệu đáp trả của các tế bào bảo vệ:
Nhiều sự kiện hoá sinh khác nhau được tạo ra ở các tế bào bảo vệ trong đáp ứng với ABA. Tế bào bảo vệ hợp nhất các thông tin môi trường bên trong
và bên ngoài thông qua các chu trình phụ thuộc và không phụ thuộc ABA để điều chỉnh độ mở của khí khổng. Các tác nhân kích thích trong và ngoài này bao gồm ánh sáng (chất lượng và số lượng), mức CO2, độ ẩm không khí, hiệu áp suất hơi nước giữa lá và không khí (Assmann et al., 2000) [18].
Các ion canxi hoạt động như một thông tín viên thứ cấp trong việc truyền tín hiệu nội bào trong quá trình ABA phát tín. Dòng chảy của các ion canxi từ không bào và gian ngoại bào vào dịch bào làm tăng nồng độ ion canxi trong dịch bào của tế bào bảo vệ được xử lý với ABA. Ion canxi ức chế các kênh kali đi vào và kích hoạt các kênh anion đi vào; nhờ đó giữ vai trò trung tâm trong việc đóng lỗ khí (Blatt., 2000) [22].
- Điều khiển biểu hiện gen trong stress hạn hán:
Trong đáp ứng với stress hạn hán, biểu hiện của một số lượng lớn các gen được điều khiển tăng. Các gen được điều khiển tăng bởi hạn hán được phân thành hai nhóm (Yamaguchi and Shinozaki., 2005) [58]. Một nhóm bao gồm các gen mã hóa các protein mà hoạt tính xúc tác của chúng chịu trách nhiệm bảo vệ các tế bào và cơ quan chống lại stress, nhóm còn lại bao gồm các gen mã hóa các protein cần thiết cho dẫn truyền tín hiệu và điều khiển biểu hiện gen. Các protein chịu trách nhiệm trực tiếp bảo vệ tế bào chống lại stress tham gia vào các sự kiện sinh lý và hóa sinh khác nhau.
Gen đáp ứng với hạn hán có thể được chia thành hai nhóm, các gen phụ thuộc và không phụ thuộc ABA, tùy theo sự phụ thuộc của chúng vào ABA để cảm ứng (Yamaguchi and Shinozaki., 2005) [57]. Yếu tố đáp ứng với ABA (ABRE) là trình tự cis chính trong đoạn khởi đầu của nhiều gen đáp ứng với ABA. DRE/CRT là một yếu tố cis liên quan đến biểu hiện không phụ thuộc ABA của các gen do hạn cảm ứng. Các nhân tố trans đối với yếu tố cis là CBF/DREB1 và DREB2, được biểu hiện một cách quá độ ngay sau khi cảm nhận hạn hán và điều khiển tăng các gen đích tham gia vào tính chịu hạn.
Sự chồng lấn giữa các chu trình truyền tín hiệu phụ thuộc và không phụ thuộc ABA đã được nêu ra từ việc phân tích chi tiết vùng khởi đầu trong các gen