d) Sinh tổng hợp glycinebetaine ở Actinopolyspora halophilia và Ectothiorhodospira halochloris
1.3.2.3. Cây trồng chuyển gen tổng hợp glycinebetaine tăng cường khả năng chống chịu nhiệt độ thấp
chống chịu nhiệt độ thấp
Nhiệt độ thấp là một yếu tố môi trƣờng giới hạn phân bố địa lý và mùa sinh trƣởng của nhiều loài thực vật và thƣờng ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng cây trồng và năng suất (Thomashow, 1999). Các tác hại của stress nhiệt độ thấp đối với nhiều loài cây trồng là làm giảm tốc độ tăng trƣởng, giảm năng suất và thậm chí làm chết cây (McKersie & Leshem, 1994). Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng ứng dụng GB ngoại sinh giúp bảo vệ thực vật bậc cao chống chịu tốt với điều kiện môi
trƣờng bị stress nhiệt độ thấp (Chen et al., 2000). Ứng dụng kỹ thuật di truyển về sinh tổng hợp GB trong một số loài cây trồng đã cho thấy tăng cƣờng tính chống chịu với điều kiện môi trƣờng bị stress nhiệt độ thấp ở tất cả các giai đoạn khác nhau của sự phát triển của cây chuyển gen. Cây Arabidopsis chuyển gen codA, tăng cƣờng chịu stress lạnh đã đạt đƣợc trong quá trình nảy mầm (Alia et al., 1998a). Cây chuyển gen cho thấy tỷ lệ nảy mầm tăng cao so với cây đối chứng không chuyển gen. Kết quả tƣơng tự cũng đƣợc báo cáo ở cây lúa chuyển gen codA và cây thuốc lá chuyển gen BADH (Sakamoto et al., 1998; Holmström et al., 2000).
Trong cây cà chua chuyển gen codA, mặc dù hàm lƣợng GB tích lũy rất thấp nhƣng cây cà chua biến đổi gen biểu hiện tăng cƣờng khả năng chịu lạnh ở tất cả các giai đoạn phát triển, từ hạt giống nảy mầm đến giai đoạn sinh sản. Tăng cƣờng khả năng chịu lạnh trong sự hiện diện của mức độ rất thấp GB có thể là do mức ngƣỡng rất thấp GB nội sinh (0,1 mmol/g trọng lƣợng tƣơi) là đủ để cung cấp bảo vệ đầy đủ chống lại stress lạnh trong cà chua biến đổi gen (Park et al., 2004). Thêm vào đó, cây cà chua chuyển gen codA nhắm mục tiêu tích lũy GB ở trong tế bào
chất và trong lục lạp, cho thấy một mối tƣơng quan giữa tích lũy GB trong các khoang này với khả năng chịu nhiệt độ thấp, muối và oxy hóa (Park et al., 2007a). Cây cà chua chuyển gen codA hƣớng mục tiêu tích lũy GB ở trong tế bào chất
(cytosolic) cho thấy sự tích lũy GB tăng gấp 5 - 6 lần so với cây cà chua chuyển gen
codA hƣớng mục tiêu tích lũy GB ở trong lục lạp. Mặc dù, sự tích lũy GB thấp ở
cây chuyển gen codA hƣớng mục tiêu lục lạp nhƣng vẫn cho thấy cây chuyển gen tăng cƣờng khả năng chịu lạnh, muối và các căng thẳng về oxy hóa.
Stress nhiệt độ thấp gây ra rối loạn chức năng màng tế bào hoặc biến tính protein, gây ra một sự xáo trộn trong hệ thống vận chuyển điện tử vào trong màng ty lạp thể hoặc chloroplastic và dẫn đến việc sản xuất chất oxy phản ứng (ROS) (Nishiyama et al., 2001). Nồng độ ROS cao trong tế bào sẽ gây tổn hại, ảnh hƣởng đến các thành phần tế bào và cũng cản trở việc sửa chữa phức hợp PSII bằng cách ức chế sinh tổng hợp de novo protein (Nishiyama et al., 2001). Park và đtg (2007a)
cho rằng một trong những lý do có thể bảo vệ tốt hơn chống lại stress nhiệt độ thấp ở cây cà chua chuyển gen codA hƣớng mục tiêu tích lũy GB trong lục lạp có thể là cải thiện khả năng vận chuyển oxy của phức hợp PSII do các sửa chữa đƣợc cảm ứng bởi GB. Một lý do khác, có thể là GB ổn định toàn vẹn cấu trúc của màng tế bào chống lại nhiệt độ khắc nghiệt, làm giảm peroxy lipid màng và bảo vệ PSII electron vận chuyển (Chen et al., 2000; Hamilton & Heckathorn, 2001). Tác dụng tƣơng tự về chức năng bảo vệ của GB đã đƣợc quan sát thấy ở cây ngô chuyển gen
CDH (Quan et al., 2004a).
Một khía cạnh khác có hại của stress nhiệt độ thấp là nó gây ra việc sản xuất hydrogen peroxide (H2O2), mà lần lƣợt kích hoạt sự tổng hợp của catalases (Prasad et al., 1994). Việc ứng dụng GB ngoại sinh và nội sinh làm tăng cƣờng hoạt động catalase và do đó tăng cƣờng khả năng chịu stress nhiệt độ thấp. Sự gia tăng hoạt động catalase đã đƣợc quan sát thấy trong các cây cà chua chuyển gen codA hƣớng mục tiêu tích lũy ở lục lạp, các cây cà chua chuyển gen đã đƣợc chứng minh tăng khả năng chịu lạnh và oxy hóa (Park et al., 2007a).
GB tích lũy trong lục lạp và kết quả tăng cƣờng khả năng chịu nhiệt độ thấp là một dấu hiệu cho thấy tăng GB cấp trong các lục lạp liên quan chặt chẽ với phức hệ PSII hoạt động trong quá trình stress lạnh (Park et al., 2004). Tƣơng tự nhƣ vậy, trong lá cà chua chuyển gen codA nhắm mục tiêu lục lạp cho thấy hầu hết GB đƣợc tích lũy trong lục lạp. Kết quả tƣơng tự cũng đƣợc tìm thấy ở cây lúa và
Arabidopsis chuyển gen codA (Sakamoto et al., 1998; Sakamoto et al., 2000).
Những phát hiện này cho thấy rằng sự tích lũy GB trong lục lạp có hiệu quả bảo vệ bộ máy quang hợp khỏi các tác hại gây ra bởi stress nhiệt độ thấp.