3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.3. Cơ sở sinh lý, hóa sinh của tính chịu hạn
Một trong những xu hướng để thực vật chống lại hạn là dựa vào khả năng làm tăng áp lực nội tại, tăng tính đàn hồi của màng tế bào cũng như giảm kích thước tế bào. Ngoài ra, thực vật còn chống lại sự khô hạn bằng cách giữ không để mất nước hoặc nhanh chóng bù lại sự thiếu nước thông qua những biến đổi về cấu trúc và hình thái như: rễ to, khỏe, dài, có khả năng xuyên sâu, giảm diện tích lá, rút ngắn chu kì sống… [22].
Nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, cây ngô sống trong môi trường thiếu nước có bộ rễ dài, khỏe, mập, có sức đâm sâu hơn để hút được nước ở những tầng đất sâu. Rễ ngô có khả năng đâm sâu gần 2m và lan rộng trên 2m. Rễ ngô có khả năng phân nhánh rất mạnh với sự phát triển đặc biệt của lông hút (tính trên 1mm2 bề mặt rễ ngô có 400 lông hút). Vì vậy, cả bộ rễ ngô có tổng số bề dài và bề mặt tiếp xúc với đất rất rộng để hút được nhiều nước hơn khi gặp hạn. Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu: là một đặc tính của tế bào khi tế bào bị mất nước do hạn, nóng, lạnh…Khi tế bào bị mất nước dần dần, các chất hòa tan sẽ được tích lũy trong tế bào chất (như đường, acid hữu cơ, amino acid, các ion…), các chất này có tác dụng điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Áp suất thẩm thấu tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận được những phân tử nước ít ỏi còn trong đất. Bằng cơ chế như vậy thực vật có thể chịu được sự mất nước trong thời gian ngắn.
Trên phương diện hóa sinh, thực vật xảy ra nhiều biến đổi nhằm chống lại hạn hán như giảm phức hợp CO2, giảm tổng hợp protein và các acid nucleic, tăng hoạt tính RNase và hàm lượng proline, làm tăng nồng độ các chất hòa tan [22].
Để giảm tối thiểu sự mất nước tế bào thực vật còn có khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào thông qua việc tính lũy các hợp chất hòa tan, các protein …như proline, fructose, manitol, ion K+…Các chất có hoạt tính thẩm thấu có khả năng giữ và lấy nước vào tế bào hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+, ngoài ra còn có thể thay thế vị trí của nước nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với protein và lipid màng, ngăn chặn sự phá hủy màng [21].
Nhiều nghiên cứu đã cho thấy, trong các điều kiện như nóng, lạnh, hạn,…hàm lượng đường có xu hướng gia tăng. Các chất đường này bao gồm glucose, sucrose, fructan, manitol, pinitol,… Glucose, fructose tăng lên một lượng lớn trong tế bào khi gặp yếu tố cực đoan. Chúng tương tác với màng tế bào, hình thành cầu nối hydro giữa gốc hydroxyl của đường với nhóm phospholipid. Bằng cách này chúng thay thế vị trí của nước trong màng tế bào. Ngoài ra, khi có mặt trong nguyên sinh chất , chúng có khả năng bảo vệ các phức enzyme khác. Khi gặp hạn, các polysaccharide nhanh chóng thủy phân thành monosaccharide, góp phần điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Sau đó, các monosaccharide lại chuyển về trạng thái polysaccharide [6].
Đường tan là một trong những chất tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào. Sự tăng hoạt độ α-amylase sẽ làm tăng tăng hàm lượng đường tan do đó làm tăng áp suất thẩm thấu và tăng khả năng chịu hạn của cây trồng. Một trong các chất liên quan đến thẩm thấu được chú ý là proline. Proline là một amino acid có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất thẩm thấu trong tế bào. Sức chống chịu của thực vật tăng lên khi được chuyển các gen mã hóa enzyme tham gia vào con đường sinh tổng hợp proline trong tế bào. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tích lũy proline có thể tăng 10 đến 100 lần ở thực vật dưới tác động của áp suất thẩm thấu [15].