Tính chịu nóng được xác định là khả năng của thực vật có thể sống và tạo ra sản phẩm có giá trị kinh tế dưới điều kiện nhiệt độ cao (Wahid và ctv, 2007).
Thực vật không di chuyển được, do đó chúng chỉ có thể chống lại các điều kiện bất lợi bằng cách biến dưỡng và thay đổi cấu trúc. Khả năng làm giảm nhiệt độ
của bông lúa (spikelet temperature) cùng với giảm độ ẩm tương đối (RH-relative humidity) được coi là một cơ chế phòng tránh.
Tính chịu nóng thật sự ở những giai đoạn nhạy cảm có thể được thực hiện bởi việc bảo vệ các protein, enzyme và màng tế bào tránh khỏi tác hại của nhiệt độ cao. Vai trò của các protein sốc nhiệt (heat shock proteins- HSPs) rất quan trọng trong các quá trình này.
Tính chịu nhiệt vốn có là thước đo khả năng sẵn có của thực vật chịu được nhiệt độ cao. Nghiên cứu QTL (quantitive trait loci) cho thấy tính chịu nóng ở lúa trong thời kỳ trổ bông được điều khiển bởi nhiều gen (Shah và ctv, 2011).
2.5.1 Đặc điểm thích nghi chịu nóng ở cây lúa Cấu trúc thực vật
Cấu trúc thực vật đóng vai trò quan trọng trong chống stress nhiệt độ cao, do đó cần phát triển các giống có cấu trúc thích hợp giúp đối phó được sự gia tăng của nhiệt độ. Ví dụ, nếu kiểu hình cây giống như một chùm hoa hình chùy được bao bởi nhiều lá, cây sẽ chịu nóng tốt hơn nhờ tăng khả năng truyền nhiệt và ngăn bay phấn
hoa nhờ chúng được che bởi lá. Sự giảm thoát hơi nước của hạt phấn hoa sẽ giúp đảm bảo sự trương lên của hạt phấn, một đặc tính quan trọng cho sự mở ra của bao phấn.
Thời gian ra hoa và nở hoa
Nở hoa xảy ra vào sáng sớm được thảo luận từ lâu như một hiện tượng có ích để chịu nhiệt độ cao cho kiểu gen cây lúa (IRRI, 1997).
Ra hoa và nở hoa ở hầu hết kiểu gen O.sativa của lúa xảy ra trong thời gian 5 ngày, với hầu hết hoa lúa nở vào thời điểm 10 giờ-12 giờ. Hoa lúa nhô ra từ lớp phủ của lá lúa ngay trước lúc nở hoa và nở hoa trong khoảng 1 giờ trong buổi sáng.
Cơ chế phòng tránh nhiệt độ cao bao gồm:
- Làm mát hoa lúa ở thời kỳ nở hoa.
- Không đồng bộ sự phát triển chồi và chùm hoa.
- Không đồng bộ thời gian ra hoa của các hoa lúa trong bông.
- Nở hoa và thụ phấn xảy ra trong cùng một hoa lúa (tự thụ phấn).
Đặc điểm thứ hai được xem là một trong những điểm khác nhau chính của giống chịu nhiệt (N22) và giống nhạy nhiệt độ cao khác (Yoshida, 1981).
Phát triển những kỹ thuật để chắc chắn quá trình nở hoa xảy ra hoàn toàn trong cùng một bông lúa (spikelet) sẽ giúp cây tránh stress nhiệt một cách thành
công. Ứng dụng của methyl jasmonate (MeJA) đã được chứng minh là cảm ứng đáng kể sự nở hoa trong khoảng 30 phút, với cảm ứng nhanh nhất xảy ra chỉ 6 phút sau khi xử lý (Zeng và ctv, 1999). Kết quả cho thấy MeJA cảm ứng sự mở của hoa
lúa một cách đáng kể. Thêm vào đó, ứng dụng MeJA ngoại sinh ở A.thaliana được báo cáo liên quan đến khả năng chịu nóng và bảo vệ chống lại sốc nhiệt (Clarke và ctv, 2009).
Chiều dài của bao phấn
Nghiên cứu cho kết quả là các giống với bao phấn lớn thì chịu được nhiệt độ cao ở giai đoạn ra hoa (Matsui và Omasa, 2002). Nguyên nhân trực tiếp của stress nhiệt là sự giảm bớt số lượng hạt phấn sinh ra từ đầu nhụy (stigma) nên có thể cho rằng những giống có bao phấn to hơn chịu được stress nhiệt vì chúng có một số
lượng lớn hạt phấn trên mỗi bao phấn, bù lại cho sự giảm số lượng hạt phấn sinh ra do tác động của nhiệt độ cao.
Chiều dài chỗ mở ra của vỏ bao phấn
Sự mở ra của bao phấn là bước cuối cùng của sự phát triển bao phấn và kết quả là phóng thích các hạt phấn để có thể thụ phấn, thụ tinh và tạo hạt. Ở O.sativa, chỉ nhị bắt đầu kéo dài ra ở đầu sự nở hoa và hạt phấn trương phồng lên nhanh chóng. Áp lực tăng lên do hạt phấn ở chỗ phồng, gây nứt vách ngăn, đã được làm yếu đi do tác động của enzyme thủy phân. Bao phấn mở ra thành công và thụ phấn, chuỗi sự kiện tiếp theo dẫn tới vỡ tại vùng bao phấn mở (stomium) và phóng thích
hạt phấn được đồng bộ hóa với những quá trình tiếp theo xảy ra trong bao phấn và hoa đơn (Zhu và ctv, 2004).
Matsui và Omasa (2002) chỉ ra rằng vài cây trồng chịu nhiệt với độ hữu thụ bông con lớn hơn 80% dưới nhiệt độ 37,5oC thì có lỗ khuyết phát triển tốt cho sự mở ra của bao phấn giữa phần vách ngăn và vùng bao phấn mở của vỏ bao phấn.
Lỗ khuyết phát triển tốt lại không phải một dấu hiệu thích hợp để khám phá nguồn di truyền và gây giống của các giống cây trồng chịu nhiệt bởi vì lỗ khuyết không nhìn thấy được từ bên ngoài của bao phấn và tốn thời gian để khảo sát chúng.
Để chọn giống có hiệu quả, xác định được các marker hình thái của tính chịu được nhiệt độ cao là điều cần thiết. Matsui và Kagata (2003) sử dụng lúa japonica ở Nhật, báo cáo rằng vỏ bao phấn có chỗ mở ra dài (long basal dehiscence of theca) sẽ giúp
cho sự phân tán hạt phấn tăng đều đặn và hạt phấn được đưa đến núm nhụy trong điều kiện bình thường. Sự cải thiện di truyền để tạo ra chỗ mở ra của vỏ bao phấn dài sẽ làm tăng khả năng hạt phấn được tung ra bằng cách bù trừ cho sự giảm của sự mở ra của vỏ bao phấn và sự trì trệ của sự phóng thích hạt phấn, vì thế tăng sức chống, chịu với nhiệt độ cao. Người ta có thể dễ dàng để đo kích thước lỗ nứt ra.
Dưới nhiệt độ cao, sự trồi lên của hạt phấn bị ức chế, dẫn đến vỏ bao phấn không mở ra được. Trong khi đó nhiệt độ cao làm cho quá trình phóng thích hạt phấn bị thất bại. Trong thí nghiệm khác, Matsui (2005) tìm ra rằng vỏ bao phấn có chỗ mở ra dài sẽ giúp hạt phấn rơi từ vỏ bao phấn xuống núm nhụy và tăng tính bền của sự
thụ phấn dưới điều kiện nóng và ẩm như trong điều kiện bình thường. Matsui kết luận rằng dưới những điều kiện thông thường, tính chịu nhiệt độ cao của giống có thể được ước tính bằng cách đo chiều dài của chỗ mở vỏ bao phấn. Các kiểu gen có chỗ mở bao phấn lớn dưới nhiệt độ bình thường cũng có chỗ mở bao phấn lớn dưới
nhiệt độ cao. Vì vậy có thể dễ dàng ước đoán nhiệt độ cao dưới những điều kiện bình thường. Điều đó thể hiện là đặc tính này biểu hiện ổn định cả ở điều kiện nhiệt độ cao và bình thường. Chiều dài của chỗ mở vỏ bao phấn chịu sự điều khiển di truyền mạnh. Các thí nghiệm sau đó cũng cho rằng điều kiện môi trường ảnh hưởng
lên chỗ mở vỏ bao phấn như rìa của vỏ ngoài bông lúa dài hơn và ngày thứ hai lớn hơn ngày thứ nhất. Có sự đa dạng kích thước chỗ mở vỏ bao phấn giữa các cây trồng từ các nguồn khác nhau liên quan đến khả năng thụ phấn trong phạm vi rộng các kiểu gen, kích thước của chỗ mở vỏ bao phấn là dấu hiệu hình thái hữu ích của khả năng tồn tại của hạt phấn.
2.5.2 Cơ chế của tính chịu nóng
Thực vật thể hiện các cơ chế khác nhau để tồn tại dưới nhiệt độ cao, bao gồm các thích nghi hình thái và giải phẫu mang tính dài hạn hay cơ chế thích nghi khí hậu như là thay đổi hướng lá, làm mát bằng thoát hơi nước, hay thay đổi kết cấu của lipid màng. Ở nhiều loại cây trồng, sự trưởng thành sớm thì liên quan gần với sự giảm thất thoát sản lượng dưới tác động của nhiệt độ cao, hứa hẹn góp phần vào cơ chế tránh nhiệt (Adams và ctv, 2001). Tính bất động giới hạn các đáp ứng thuộc về hành vi của thực vật đến tín hiệu của môi trường, do đó cơ chế đáp ứng và bảo vệ thuộc về tế bào và kiểu hình chiếm vị trí quan trọng. Thực vật cũng trải qua nhiều kiểu stress tại các giai đoạn phát triển và cơ chế đáp ứng có thể đa dạng ở các mô
khác nhau (Queitsch và ctv, 2000). Tín hiệu stress ban đầu (ví dụ áp suất thẩm thấu, hay thay đổi ở nhiệt độ hay tính lỏng của màng) sẽ kích hoạt tính xử lý tín hiệu xuôi chiều và điều khiển dịch mã, kích hoạt cơ chế đáp ứng stress để tái thành lập cân bằng nội môi (homeostasis), bảo vệ và sửa chữa các protein và màng tế bào bị hư hỏng. Đáp ứng không đầy đủ ở một hay nhiều bước trong quá trình hoạt hóa gen và tín hiệu gây ra hư hỏng không thuận nghịch ở cân bằng nội môi tế bào và sự phá
hủy các protein cấu trúc và chức năng và các màng, dẫn đến sự chết tế bào. Thực vật phát triển trong các khu vực phân bố tự nhiên khác nhau tiếp xúc với nhiệt độ cao có thể chết do không có sự đáp ứng thích nghi nhanh chóng. Hơn nữa, do thực vật có thể trải qua những dao động bất thường của nhiệt độ ban ngày, có được tính chịu nhiệt sẽ góp phần vào hình thành cân bằng nội môi của biến dưỡng (Hong và ctv, 2003).
Làm sáng tỏ các cơ chế khác nhau của đáp ứng thực vật với stress và vai trò của chúng trong tính chịu nhiệt là rất thiết thực và quan trọng. Vài cơ chế chịu nhiệt chính, bao gồm vận chuyển ion, bảo vệ áp suất thẩm thấu, các protein phát sinh phôi muộn và các yếu tố liên quan đến các đợt tín hiệu và điều khiển dịch mã là cần thiết đáng kể để chống lại tác động của stress. Chuỗi các biến đổi và cơ chế, bắt đầu với sự nhận thức nhiệt và truyền tín hiệu, sản xuất các chất biến dưỡng làm cho thực vật có khả năng chống lại stress nhiệt, đã được công bố. Tác động của stress do nhiệt độ cao là đáng kể ở nhiều mức độ khác nhau, bao gồm màng bào tương và con đường sinh hóa đa dạng trong tế bào chất hay các cơ quan thuộc tế bào chất (Sung và ctv, 2003). Tuy nhiên, tác động ban đầu của stress nhiệt lại ở màng bào tương,
thể hiện ở tính lỏng hơn của lớp đôi lipid dưới tác động stress. Điều này dẫn tới cảm ứng Ca2+ đi vào và tái tổ chức lại bộ xương tế bào, kết quả là điều hòa dương MAPK (mitogen activated protein kinase) và protein kinase phụ thuộc calcium (calcium dependent protein kinase - CDPK). Sự truyền tín hiệu của các đợt này ở
mức độ nhân dẫn đến sản xuất chất kháng oxi hóa và điều hòa áp lực thẩm thấu tương hợp cho cân bằng nước của tế bào. Sự sản xuất các gốc oxy hóa tự do (reactive oxygen species - ROS) trong các bào quan (ví dụ như lục lạp và ti thể) là
dấu hiệu đáng kể của sự truyền tín hiệu cũng như là sản xuất các chất chống oxi hóa. Cơ chế phòng thủ kháng oxi hóa là một phần của đáp ứng stress nhiệt, sức mạnh của nó liên quan đến khả năng chịu nhiệt (Maestri và ctv, 2002).
Một trong những cơ chế chịu nhiệt được nghiên cứu gần đây nhất là sự cảm ứng của các protein sốc nhiệt (HSP), bao gồm những họ protein bảo tồn. Tuy nhiên, mỗi họ HSP chính có một cơ chế hoạt động duy nhất với hoạt động chaperon. Tác
động bảo vệ của HSP có thể góp phần vào mạng lưới hệ thống chaperon, trong đó nhiều loại chaperon liên quan. Ngày càng có nhiều nghiên cứu cho thấy tương tác HSP và chaperon với các cơ chế đáp ứng stress khác (Wang và ctv, 2004).
HSP/chaperon có thể đóng một vai trò trong con đường truyền tín hiệu và hoạt hóa gen cũng như là điều hòa quá trình oxi hóa khử của tế bào và các chất kháng oxi hóa.
Sự bão hòa lipid màng được xem như là một yếu tố quan trọng trong chịu nhiệt độ cao. Hiện tại, người ta vẫn chưa xác định được độ bão hòa cao hay thấp là có ích cho tính chịu nhiệt. Sự đóng góp của các thành phần protein và lipid vào chức năng của màng dưới stress nhiệt cần được nghiên cứu kĩ hơn. Sự định vị
protein sốc nhiệt có trọng lượng phân tử thấp (LMW-HSP) với màng chloroplastic dưới stress nhiệt cho thấy chúng đóng một vai trò trong bảo vệ vận chuyển electron quang hợp.
Một thành phần quan trọng của tính chịu nhiệt là sự thay đổi trong biểu hiện gen. Stress nhiệt được biết là nhanh chóng làm thay đổi mô hình biểu hiện gen, bao gồm biểu hiện của các thành phần HSP và ức chế biểu hiện của nhiều gen khác.
mRNA mã hóa các protein không cảm ứng bởi stress nhiệt bị làm mất ổn định suốt quá trình stress nhiệt. Stress nhiệt có thể cũng ức chế sự ghép nối của vài mRNA.
Các giả thuyết sớm cho rằng các mRNA mã hóa HSP không thể được xử lý một cách chính xác do sự vắng mặt của các intron trong các gen tương ứng.Vì vậy, chỉ vài gen mã hóa HSP có các đoạn intron và dưới điều kiện stress nhiệt, các mRNA của chúng được ghép nối một cách chính xác. Tuy nhiên, cơ chế của biến đổi sau phiên mã và dịch mã mRNA mã hóa HSP dưới stress nhiệt vẫn chưa được sáng tỏ (Wahid và ctv, 2007).