Điều kiện hạn tác động đến tế bào thực vật và gây ra các đáp ứng khác nhau. Đáp ứng của tế bào với stress hạn thể hiện thông qua các quá trình như tích
12
lũy các chất điều hòa thẩm thấu và tăng cường hoạt động của các enzyme, chất chống oxy hóa (do stress hạn tạo ra các gốc oxy tự do gây hại). Việc sử dụng các chất điều hòa thẩm thấu là một chiến lược phổ biến và quan trọng trong các đáp ứng với stress hạn đối với nhiều loài sinh vật khác nhau.
2.3.3.1. Tăng cường hàm lượng các chất điều hòa thẩm thấu
Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu có mối liên quan trực tiếp đến khả năng cạnh tranh nước của tế bào rễ cây đối với đất. Trong điều kiện khô hạn, 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 vượt qua được tình trạng hạn cục bộ. Khi phân tích thành phần hóa sinh của các cây chịu hạn, các nghiên cứu đều cho rằng khi cây gặp hạn có hiện tượng tăng lên về hàm lượng prolin, các loại đường, axit hữu cơ... Các chất trên có chức năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu nhờ 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 lipit màng, ngăn chặn sự phá hủy màng.
Chất điều hòa thẩm thấu (Osmolyte) là những chất tan tốt trong nước, mang điện trung tính trong điều kiện pH bình thường và không ức chế hoạt động của các enzyme ngay cả ở những nồng độ cao. Đó có thể là các loại đường (glucose, fructose, sucrose, trehalose, raffinose…) hay đường gốc rượu (mannitol, glycerol), axit amin (proline), hợp chất chứa lưu huỳnh (choline-O-sulphate, dimethylsulphoniopropionate). Chức năng của các chất điều hòa thẩm thấu là giúp làm giảm thế nước trong tế bào, duy trì độ trương của tế bào, bảo vệ các cấu trúc dưới tế bào do có khả năng liên kết với các protein cũng như các hệ thống màng sinh học, giữ cho chúng không bị biến tính. Hiện tượng tích lũy chất điều hòa thẩm thấu trong điều kiện hạn đã quan sát được trên nhiều đối tượng thực vật bậc cao.
+ Betaine
Các hợp chất betaine, glycinebetaine (GB) được phát hiện thấy ở nhiều họ thực vật như Chenopodiaceae và Gramineae khi phản ứng với điều kiện stress (Türkan & Demiral, 2009). Các bằng chứng về di truyền học cho thấy GB giúp tăng cường khả năng chống chịu của các cây trồng quan trọng như thuốc lá, cà chua, khoai tây, lúa và ngô. Cây trồng biến đổi gen nhằm làm tăng hàm lượng GB giúp cây chống chịu tốt hơn cây bình thường và giúp nâng cao sản lượng thu được (Waditee & cs., 2005). GB bảo vệ phức hệ quang hóa II (PS II) và hệ thống màng thylakoid của lục lạp, và các enzyme như RuBisCo, bảo vệ bộ máy quang hợp.
13
+ Proline
Một trong các chất liên quan đến thẩm thấu được chú ý là prolin. Prolin là một amino axit có vai trò quan trọng trong sự điều hòa áp suất thẩm thấu trong tế bào. Các nghiên cứu đã cho thấy có sự tích lũy amino acid như proline khi cây gặp phải điều kiện bất lợi như hạn (Mansour, 2000). Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy sự tích lũy prolin có thể tăng 10 đến 100 lần ở thực vật dưới tác động của áp suất thẩm thấu.
Proline giúp ổn định các màng và protein chức năng, hỗ trợ bảo vệ tránh các tác động từ gốc oxy tự do. Theo tác giả Chen & Muranta (2002), sức chống chịu của thực vật tăng lên khi được chuyển các gen mã hóa enzym tham gia vào con đường sinh tổng hợp prolin trong tế bào. Trên thực tế, một số thử nghiệm chuyển gen làm tăng cường biểu hiện proline đã cho thấy có thể cải thiện khả năng chống chịu stress của thực vật.
Nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Sư phạm Hà Nội trong năm 2011 đã thực hiện đề tài ảnh hưởng của hạn tới một số chỉ tiêu sinh lý và hàm lượng proline ở cà chua trồng tại Vĩnh Phúc. Thí nghiệm trong thời kỳ ra hoa của cây cho thấy, có sự tăng lên rõ rệt về hàm lượng proline ở cả 2 giống cà chua trong công thức thí nghiệm so với đối chứng. Tuy nhiên, giống VL 3000 có khả năng tổng hợp proline tốt hơn so với Gandeera trong suốt thời gian gây hạn, chứng tỏ, VL 3000 chịu hạn tốt hơn so với Gandeera. Ở thời kỳ ra hoa mức độ gia tăng hàm lượng proline mạnh hơn so với thời kỳ quả non khi thiếu nước.
Nghiên cứu của Efeoğlu & cs. (2008) trên 3 giống ngô Doge, Luce, Vero cũng đã cho thấy hàm lượng proline tăng lên đáng kể trong điều kiện hạn. Khi được tưới nước trở lại thì hàm lượng proline sẽ giảm đi.
+ Carbonhydrate không cấu trúc
Các dạng carbonhydrate không cấu trúc hay đường tan được tăng cường trong các tế bào gặp phải điều kiện hạn. Nhóm carbonhydrate không cấu trúc này bao gồm glucose, fructose, sucrose, trehalose, raffinose… Các chất này đóng hai vai trò, trong đó vai trò thứ nhất là tác động như một chất điều hòa thẩm thấu làm tăng áp suất thẩm thấu của tế bào, giúp tế bào hút nước từ môi trường dễ dàng hơn. Vai trò thứ hai là bảo vệ các cấu trúc tế bào bằng cách tương tác với hệ thống màng, các phức hệ protein và các enzyme. Lúa mì được biểu hiện gen mannitol-1-phosphatase dehydrogenase (mtlD) của E. coli cho thấy có biểu hiện
14
chống chịu tốt hơn so với cây bình thường. Gen mtlD giúp tăng cường hàm lượng mannitol có mặt trong tế bào.
2.3.3.2. Tăng cường hoạt động của một số enzyme
Nghiên cứu sự đa dạng và hoạt động của enzyme trong điều kiện gây hạn đã được nhiều tác giả quan tâm. Trần Thị Phương Liên (1999) nghiên cứu đặc tính hóa sinh của một số giống đậu tương có khả năng chịu nóng, hạn đã nhận xét rằng áp suất thẩm thấu cao ảnh hưởng rõ rệt tới thành phần và hoạt độ protease, kìm hãm sự phân giải protein dự trữ. Một số nghiên cứu trên các đối tượng như lạc, lúa, đậu xanh, đậu tương,… cho thấy mối tương quan thuận giữa hàm lượng đường tan và hoạt độ α-amylaza. Đường tan là một trong những chất tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong tế bào. Sự tăng hoạt độ α-amylaza sẽ làm tăng hàm lượng đường tan do đó làm tăng áp suất thẩm thấu và tăng khả năng chịu hạn của cây trồng.
Đặc biệt, sự tích lũy các chất chống oxy hóa cũng được thấy rất rõ ràng trong đáp ứng của tế bào đối với điều kiện hạn. Tế bào tăng cường tích lũy của các enzyme chống oxy hóa như superoxide dismutase (SOD), catalase, ascorbate peroxidase (APX), glutathione reductase (GR)… Hoạt động của các enzyme này giúp hạn chế những tổn thương mà tế bào gặp phải do các gốc oxy hóa tự do gây ra. Khi tế bào gặp điều kiện stress như hạn, một lượng lớn gốc oxy hóa tự do được tạo ra. Nếu không có hoạt động của các enzyme chống oxy hóa thì gốc oxy hóa tự do sẽ làm tổn thương DNA, các bào quan…
2.3.3.3. Tăng cường tổng hợp anthocyanin
Theo Srivalli & cs. (2003), sinh tổng hợp anthocyanin thường xảy ra trong tế bào thực vật khi tế bào này tiếp xúc với điều kiện môi trường mất cân bằng thẩm thấu, vì các glycoside của anthocyanin có thể điều chỉnh khả năng thẩm thấu của tế bào, giảm thiểu sự mất nước qua bốc hơi. Hơn nữa, anthocyanin cũng là một chất chống oxy hóa. Nhiều nghiên cứu trước đây cho rằng anthocyanin có thể tạo phức với các phân tử khác như DNA, sự hình thành phức anthocyanin- DNA có thể giúp duy trì sự toàn vẹn cấu trúc của DNA khi gặp stress phi sinh học. Anthocyanin được tăng cường để bảo vệ chất diệp lục khi cây tiếp tục bị hạn vì chúng được định vị nhiều trong các tế bào mô giậu và mô xốp, trong lớp biểu bì vào thời điểm hạn và già hóa. Hàm lượng nước trong mô giảm và hàm lượng anthocyanin tăng dưới ảnh hưởng trực tiếp của khô hạn, đặc biệt trong các lá trưởng thành, những cây sống ở giữa thu hay dưới lớp tuyết cũng tương tự.
15
Kết quả nghiên cứu của Chutipaijit & cs. (2008) cũng chứng minh rằng giống lúa có khả năng chịu hạn cao nhất, tích lũy hàm lượng anthocyanin cao nhất (gấp 10 lần so với giá trị trung bình của các giống còn lại). Hàm lượng anthocyanin ở các giống cây mạ chống chịu đều cao hơn 20-70% so với giống đối chứng, ở các giống nhạy cảm không khác biệt đáng kể.