Cơ sở phân tử của đáp ứng chống chịu hạn ở thực vật

1.2. PHẢN ỨNG CỦA THỰC VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN HẠN

1.2.3. Cơ sở phân tử của đáp ứng chống chịu hạn ở thực vật

Đáp ứng chống chịu hạn của thực vật đƣợc thực hiện thơng qua một chuỗi các q trình phức tạp có thể chia thành 3 giai đoạn: nhận tín hiệu, dẫn truyền tín hiệu và đáp ứng chống chịu , với sự tham gia của hàng loạt yếu tố nhƣ kinase, nhân tố điều hòa phiên mã, protein chức năng... (Hình 1.1).

Hình 1.1 | Giản đồ mơ tả quá trình phản ứng chịu hạn ở thực vật

1.2.3.1. Nhận tín hiệu

Đây là bƣớc đầu tiên để thực vật đáp ứng với stress môi trƣờng với sự tham gia của một số hormone quan trọng nhƣ ABA, cytokinin, auxin ethylence… Cho tới nay, các nhà khoa học vẫn cho rằng rễ là cơ quan chính có khả năng cảm nhận stress hạn của mơi trƣờng và ABA là phân tử tín hiệu nội sinh có vai trò then chốt trong quá trình này [85, 91, 92]. Hai chức năng đƣợc nghiên cứu nhiều nhất của ABA trong đáp ứng stress hạn là đóng khí khổng và điều hòa biểu hiện của một nhóm lớn các gen đáp ứng stress. Chính vì vậy, q trình dẫn truyền tín hiệu stress hạn thƣờng liên quan chặt chẽ với q trình dẫn truyền tín hiệu ABA. Trong tế bào thực vật tồn tại song song hai con đƣờng truyền tín hiệu stress: phụ thuộc ABA và khơng phụ thuộc ABA [85, 91, 92].

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh ABA có khả năng hoạt hóa nhiều loại protein kinase [27, 85, 92]. Các protein kinase sau đó sẽ tiếp tục hoạt hóa các

nhân tố phiên mã thơng qua q trình phosphoryl hóa để điều khiển sự biểu hiện của các gen chức năng đáp ứng stress hạn [24]. Một số nghiên cứu trên cây mô hình Arabidopsis thaliana cho thấy histidine kinase AtHK1 có liên quan tới q trình cảm nhận tín hiệu thay đổi áp suất thẩm thấu [92]. Sự biểu hiện của AtHK1 kéo theo sự biểu hiện của một số nhân tố phiên mã đáp ứng stress (ví dụ nhƣ AREB1, ANAC, DREB2A) và các protein này đóng vai trò là yếu tố điều hòa dƣơng tính trong đáp ứng chống chịu hạn và mặn theo cả hai con đƣờng phụ thuộc và không phụ thuộc ABA ở A. thaliana [24, 62, 41]. Tuy nhiên, những bằng chứng cụ thể chứng minh vai trò của các protein này hiện vẫn chƣa sáng tỏ.

1.2.3.2. Q trình truyền tín hiệu

Sau khi tín hiệu stress đƣợc phát động, tế bào sẽ sản sinh ra các phân tử tín hiệu thứ cấp thơng qua các phản ứng enzyme đặc trƣng. Phân tử tín hiệu thứ cấp đƣợc chia thành ba loại cơ bản: (a) các phân tử kị nƣớc liên kết màng tế bào nhƣ diacylglycerol, IP3 và phosphatidylinositol; (b) các phân tử ƣa nƣớc nhƣ cAMP, cGMP và Ca2+

nằm trong tế bào chất và (c) các phân tử khí nhƣ NO và CO có thể khuếch tán xuyên qua tế bào chất và màng tế bào. Ngoài ra, các ROS sinh ra trong điều kiện stress hạn và một số phân tử tín hiệu khác nhƣ Ca2+

(đƣợc dự trữ trong các bào quan riêng, có thể đƣợc giải phóng nhanh chóng khi cần thiết) cũng có thể đóng vai trò là phân tử tín hiệu thứ cấp trong phản ứng chống chịu hạn ở thực vật [21, 22, 36].

Q trình truyền tín hiệu là một chuỗi các phản ứng phosphoryl hóa protein, đòi hỏi các điều kiện chính xác về khơng gian và thời gian đối với tất cả các phân tử tín hiệu. Chính vì vậy, ngồi các thành phần trực tiếp dẫn truyền tín hiệu, trong tế bào còn có những phân tử nhất định tham gia vào q trình biến đổi, đóng gói hoặc cấu thành các thành phần tín hiệu . Các phân tử

hỗ trợ này bao gồm các yếu tố biến đổi protein, ví dụ nhƣ enzyme xúc tác quá trình lipid hóa, methyl hóa, glycosyl hóa và ubiquitin hóa protein… [22].

1.2.3.3. Đáp ứng chống chịu

Các phản ứng đáp ứng chịu hạn là bƣớc cuối cùng để đáp ứng lại tín hiệu stress hạn, tế bào thực vật tăng cƣờng sự biểu hiện của hàng loạt các gen liên quan tới đáp ứng chống chịu. Dựa vào chức năng trong đáp ứng chống chịu hạn, có thể chia sản phẩm protein của các gen chức năng này thành một số nhóm: protein tham gia vào quá trình tổng hợp chất hòa tan, enzyme chống oxy hóa, protein sốc nhiệt, protein LEA (late embryogenesis abundant protein), aquaporin, polyamin, protein tham gia ổn định cấu trúc màng, protein tham gia vào các quá trình tổng hợp, phân giải và sửa chữa [56, 91, 104].

Trong điều kiện stress hạn, tế bào thực vật còn tích lũy các ROS với nồng độ cao có khả năng gây độc cho tế bào. Do đó, bên cạnh việc tích lũy các chất hòa tan, theo hƣớng ngƣợc lại, tế bào có chế độ khử độc ROS, bảo vệ các bào quan và các chất phân tử lƣợng cao [91]. Một nhóm hợp chất khác có chức năng bảo vệ tế bào thực vật trong điều kiện stress hạn là các protein sốc nhiệt (HSP). Một số nghiên cứu về chuyển gen HSP đã chứng minh vai trò tăng cƣờng tính chống chịu hạn của HSP trong cây chuyển gen và trong tế bào nấm men [91].

Protein LEA là một họ lớn các protein đƣợc biểu hiện nhiều ở giai đoạn phát triển phôi muộn và trong nhiều điều kiện stress khác nhau nhƣ hạn, mặn, lạnh, nóng và ABA. Đặc điểm chung của protein LEA là ƣa nƣớc, bền nhiệt và biểu hiện gen đáp ứng ABA. Chức năng của protein LEA cho tới nay vẫn chƣa đƣợc làm rõ, tuy nhiên hầu hết các nhà nghiên cứu đều cho rằng protein này hoạt động nhƣ những phân tử liên kết nƣớc trong các q trình tạo phức

hóa ion và duy trì ổn định cấu trúc màng tế bào và các đại phân tử. Rất nhiều nghiên cứu đã chứng minh việc chuyển gen mã hóa protein LEA đã giúp tăng khả năng chống chịu hạn của cây chuyển gen. Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của protein LEA trong đáp ứng chống chịu hạn ở thực vật [91, 92, 104].

Aquaporin là nhóm protein thuộc họ protein xun màng có tính bảo thủ cao. Aquaporin tham gia vào quá trình vận chuyển nƣớc qua màng bằng cách tạo ra các lỗ dẫn nƣớc trong lớp lipid kép của màng, giúp tăng tốc độ hấp thu nƣớc. Protein này đƣợc biểu hiện nhiều trong các tế bào thuộc mô đang sinh trƣởng và mô rễ. Các nghiên cứu về vai trò của aquaporin vẫn đƣợc thực hiện nhiều năm qua, tuy nhiên mối tƣơng quan giữa aquaporin và khả năng chống chịu hạn của thực vật vẫn chƣa đƣợc làm sáng tỏ. Nghiên cứu ở cấp độ gen cho thấy sự biểu hiện của gen mã hóa aquaporin đƣợc điều hòa dƣơng trong điều kiện stress hạn và điều hòa âm trong điều kiện stress mặn, chứng tỏ mức độ tích lũy aquaporin dƣờng nhƣ liên quan tới đáp ứng của tế bào với thế nƣớc của mơi trƣờng ngoại bào [91].

Ngồi các hợp chất trực tiếp tham gia vào các quá trình điều hòa áp suất thẩm thấu, liên kết nƣớc, khử độc…, các protein/enzyme tham gia vào các quá trình tổng hợp, phân giải và sửa chữa cũng có vai trò nhất định giúp bảo vệ tế bào chống lại điều kiện khơ hạn . Ví dụ , yếu tố kéo dài chuỗi 1-α (ELF1-α) là một thành phần không thể thiếu trong quá trình sinh tổng hợp protein và đƣợc tích lũy với hàm lƣợng rất cao trong quá trình đáp ứng stress ở thuốc lá, chứng tỏ vai trò của protein này đối với đáp ứng chống chịu của tế bào. Ở A. thaliana và đậu Hà Lan, hàm lƣợng mRNA của các gen mã hóa các protein tƣơng đồng với protease và ubiquitinase (thành phần chính của bộ máy phân giải protein) tăng lên rõ rệt trong điều kiện hạn và mặn [37, 39, 70]. Đây có thể là một cơ chế giúp tế bào loại bỏ các protein bị sai hỏng do stress và tái sử dụng nguồn nitơ [31, 51, 70].

Bên cạnh đó, do tác động của stress hạn, các gốc acid amin trong phân tử protein có thể bị biến đổi bởi các q trình nhƣ deamin hóa, isomer hóa hay oxy hóa. Để hạn chế ảnh hƣởng của các quá trình này, tế bào cũng tăng cƣờng tổng hợp các enzyme sửa chữa nhƣ L-isoaspartyl methyl transferase biến đổi gốc L-isoaspartyl (trong các protein bị sai hỏng do stress) thành gốc L- aspartyl. Đặc biệt, ở rêu, tế bào đáp ứng với stress hạn chủ yếu theo cơ chế sửa chữa protein. Các thực tế trên chứng tỏ trong tế bào ln có sự chuyển đổi linh hoạt giữa hoạt động của hai bộ máy bảo vệ/sửa chữa và phân giải protein trong đáp ứng stress hạn [58, 91].