Acid abscisic (ABA) là một phytohormone quan trọng giúp cho sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc tích hợp các tín hiệu stress khác nhau và kiểm soát phản ứng của cây với stress.
Thực vật phải điều chỉnh mức ABA liên tục để đáp ứng với sự thay đổi điều
kiện sinh lý và môi trường. Các cơ chế để thực vật đáp ứng với stress bao gồm hai con đường cơ bản là ABA phụ thuộc và ABA độc lập. Các yếu tố phiên mã khác nhau như DREB2A/2B, AREB1, RD22BP1 và MYC/MYB giúp điều chỉnh sự biểu hiện gen ABA thông qua sự tương tác với các yếu tố dẫn xuất tương ứng của chúng như DRE/CRT, ABRE và MYCRS/MYBRS. Hiểu được những cơ chế quan trọng này giúp cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng với stress (Tuteja, 2007).
Quá trình thích ứng của cây với các stress thường được kiểm soát bởi ABA.
Phytohormone này hoạt động như một tín hiệu nội sinh trong việc điều hòa lượng nước của cây (Swamy và Smith, 1999). ABA được xem như một tín hiệu kiểm soát sự nảy mầm và phát triển của cây. Hoạt động của ABA nhằm bảo vệ các tế bào bằng cách kiểm soát sự đóng mở khí khổng, điều hòa lượng nước trong tế bào khi cây thiếu nước (Mahajan và Tuteja, 2005). Nhiều nghiên cứu chứng minh rằng ABA được tổng hợp để đáp ứng với các stress của cây và được xem là hormone stress ở thực vật (Xiong và cộng sự, 2002). Các gen đáp ứng với stress có thể được biểu hiện thông qua hai con đường ABA độc lập và ABA phụ thuộc (Chinnusamy và cộng sự, 2004).
ABA giúp đáp ứng hiệu quả với các tín hiệu stress khác nhau, do đó, ABA thường được sử dụng để giúp thực vật chống chịu với stress. Các dạng stress thường gây hậu quả làm khô tế bào và mất cân bằng thẩm thấu ở thực vật, có sự biểu hiện của các gen ABA khi cây bị lạnh, hạn hán hay nồng độ muối cao. Với các tín hiệu stress khác nhau sẽ có các yếu tố ABA khác nhau tham gia vào con đường truyền tín hiệu và các yếu tố này có liên quan mật thiết với nhau (Shinozaki và Yamaguchi, 2000; Thomashow, 1999). ABA giúp hạt giống vượt qua các điều kiện stress và đến khi gặp điều kiện thuận lợi, hạt nảy mầm và phát triển. ABA giúp đóng khí khổng trong điều kiện hạn hán, ngăn cản sự mất nước trong tế bào và do đó ABA được gọi là hormone stress (Tuteja, 2007).
Chức năng chính của ABA là giúp cân bằng nước và khả năng thẩm thấu của tế bào. Một số Đột biến ABA cụ thể là aba1, aba2 và aba3 đã được thực hiện trên Arabidopsis (Koornneef và cộng sự, 1998). Đột biến ABA ở thuốc lá, cà chua và ngô cũng đã được báo cáo (Swamy và Smith, 1999). Trong điều kiện hạn hán, đột biến thiếu ABA làm cây bị héo và chết. Khi cây bị stress mặn, đột biến thiếu ABA làm chậm quá trình phát triển của cây. Ngoài ra, ABA cũng rất cần thiết cho khả năng chịu lạnh, đồng thời liên quan đến gen cảm ứng sự mất nước (Xiong và cộng sự, 2001).
Các nghiên cứu cho thấy stress muối cao hay hạn hán được truyền qua ít nhất hai con đường: con đường ABA độc lập và con đường ABA phụ thuộc.
Điều kiện nhiệt độ lạnh gây ảnh hưởng đến sự biểu hiện gen thông qua con đường ABA độc lập (Shinozaki và Yamaguchi, 2000; Thomashow, 1999). ABA biểu hiện theo con đường ABA độc lập thường có sự hiện diện của yếu tố cis- acting, còn gọi là yếu tố ABRE (yếu tố ABA đáp ứng) (Uno và cộng sự, 2000).
Phân tích di truyền cho thấy không có sự phân định rõ ràng giữa con đường ABA phụ thuộc và ABA độc lập. Các thành phần có liên quan thường tham gia vào cả hai con đường tín hiệu trên. Calcium được xem như là một thành phần quan trọng tham gia vào các dạng stress khác nhau. Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng trong điều kiện hạn hán, muối cao, nhiệt độ lạnh, ABA làm gia tăng nhanh chóng nồng độ calcium trong tế bào thực vật (Chinnusamy và cộng sự, 2004; Mahajan và Tuteja, 2005).
Gen RD29A tham gia vào cả hai con đường ABA độc lập và ABA phụ thuộc ở thực vật (Yamaguchi và Shinozaki, 1993). Proline có thể là trung gian cho các con đường truyền tín hiệu này (Mahajan và Tuteja, 2005). Vai trò của calcium trong con đường ABA phụ thuộc có sự cảm ứng của gen P5CS trong stress mặn (Knight và cộng sự, 1997). Theo các nghiên cứu, sự biểu hiện của gen RD29A, RD22, COR15A, COR47 và P5CS bị hạn chế khi los5 bị đột biến
(Xiong và cộng sự, 2001). Các phospholipase D (PLD) cùng với ABA và hoạt động của calcium như là một điều kiện giúp điều hòa sinh tổng hợp proline ở Arabidopsis (Thiery và cộng sự, 2004). Đối với stress độ mặn cao, có sự gia tăng các DNA helicase 45 (PDH45) theo con đường ABA phụ thuộc (Sanan và cộng sự, 2005), trong khi ở họ đậu, protein calcineurin B – like (CBL) và CBL tương tác protein kinase (CIPK) theo con đường ABA độc lập (Mahajan và cộng sự, 2006). Hoạt động của AtBG1 polyme (β-glucosidase, enzyme thủy phân glucose liên hợp) giúp kích hoạt ABA có thể là một cơ chế điều chỉnh mức độ ABA nhanh chóng và đáp ứng với sự thay đổi của các yếu tố môi trường (Lee và cộng sự, 2006).
Mức ABA trong cơ thể thực vật có sự thay đổi rõ rệt trong điều kiện stress, chủ yếu là do sự cảm ứng của enzyme sinh tổng hợp ABA. Một số thành phần tham gia vào quá trình sinh tổng hợp ABA đã được tìm thấy bao gồm Zeathanxin epoxidase (được mã hóa bởi ABA1 trong Arabidopsis), 9-cis- epoxycarotenoid dioxygenase (được mã hóa bởi NCED), ABA aldehyde oxidase và ABA3 còn được gọi là LOS5 (Xiong và cộng sự, 2001; Xiong và cộng sự, 2002). ABA được tổng hợp từ β-carotene nhờ một số enzyme (Hình 1.3).
Việc đáp ứng stress nhờ hoạt động các gen sinh tổng hợp các chất như zeaxanthin oxidase (được mã hóa bởi ZEP), 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (được mã hóa bởi NCED), ABA-aldehyde oxidase (được mã hóa bởi AAO) và molypden cofactor sulphurase (được mã hóa bởi MCSU) được quy định thông qua quá trình phosphoryl hóa phụ thuộc calcium (Zhu, 2002; Chinnusamy và cộng sự, 2004). Ngoài ra, có thể phản hồi kích thích sự biểu hiện của gen sinh tổng hợp ABA thông qua con đường calcium báo hiệu và kích hoạt các enzyme catabolic ABA để làm giảm lượng ABA. Sự thay đổi quá trình trao đổi chất làm thay đổi nồng độ hydrogen peroxide cũng có thể ảnh hưởng đến sự tích lũy và sự nhạy cảm của ABA (Verslues và cộng sự, 2007).
Quá trình sinh tổng hợp và điều hòa ABA diễn ra với nhiều giai đoạn (hình 1.3). β-carotene bị oxy hóa thành neoxanthin và chuyển đổi thành xanthoxin, tạo thành ABA-aldehyde và sau cùng là ABA. Các dạng stress (mất nước, nhiệt độ lạnh, độ mặn cao) kích thích sinh tổng hợp và tích lũy ABA bằng cách kích hoạt các gen tham gia vào con đường sinh tổng hợp ABA, hoặc có thể qua trung gian là con đường phosphoryl hóa cascade phụ thuộc calcium. Quá trình sinh tổng hợp ABA cũng có thể được điều hòa thông qua con đường tín hiệu calcium (Xiong và cộng sự, 2002; Zhu, 2002).
Hình 1. 3. Quá trình sinh tổng hợp và điều hòa acid abscisic (Tuteja, 2007) Điều hòa phiên mã các yếu tố cis-acting và các yếu tố liên quan đến ABA trong quá trình đáp ứng với stress gồm nhiều giai đoạn (Hình 1.4). Các vùng khởi động của các gen stress như DRE/CRT (A/GCCGAC), ABRE (PyACGTGGC), trình tự nhận biết MYC (MYCRS; CANNTG) và trình tự nhận biết MYB (MYBRS; C/TAACNA/G), được quy định bởi các yếu tố phiên mã
khác nhau (Hình 1.4) (Zhu, 2002). Stress phụ thuộc ABA có sự tham gia của yếu tố phiên mã gọi là AREB, giúp kích hoạt leucine, và liên kết với yếu tố ABRE trên gen RD29B. Các nhân tố phiên mã như DREB2A và DREB2B kích hoạt yếu tố DRE của các gen stress và duy trì sự cân bằng thẩm thấu của tế bào (Mahajan và Tuteja, 2005). Một số gen như RD22 thiếu yếu tố CRT/DRE điển hình trong vùng khởi động thì được quy định bởi một số cơ chế khác. RD22 là gen mã hóa một protein chưa rõ nguồn gốc. Các tín hiệu stress khô hạn được quy định bởi con đường ABA phụ thuộc. Protein DREB1D có thể phản ứng chậm với các tín hiệu stress khô hạn và phụ thuộc vào hàm lượng ABA (Hình 1.4). Các yếu tố phiên mã MYC/MYB, RD22BP1 và AtMYB2, có kết hợp với MYCRS và các yếu tố MYBRS, phức hợp này giúp kích hoạt các gen RD22 (Hình 1.4). Những protein MYC và MYB được tổng hợp sau khi lượng ABA nội sinh tăng lên, do đó cho thấy vai trò của chúng trong giai đoạn cuối của stress (Mahajan và Tuteja, 2005). Các Clp protease điều hòa hoạt động của gen ERD1 (khi cây bị mất nước), giúp cây phản ứng với tình trạng mất nước và stress mặn trước khi lượng ABA tăng lên, con đường ABA độc lập cũng được thể hiện trong các phản ứng với stress khô hạn ở Arabidopsis (Nakashima và cộng sự, 1997). Hai protein ZF-HD và NAC kích hoạt sự biểu hiện của gen ERD1 trong điều kiện phát triển bình thường của cây Arabidopsis chuyển gen.
Nhìn chung, các yếu tố phiên mã có sự liên hệ mật thiết với nhau để đáp ứng với các tín hiệu stress (Kim và cộng sự, 2004).
Hình 1. 4. Điều hòa hoạt động gen của thực vật trong các điều kiện stress (Tuteja, 2007)
Nhìn chung, các tín hiệu stress làm giảm năng suất cây trồng. Sự tham gia của các gen phản ứng stress trong quá trình trao đổi chất giúp tăng cường khả năng chống chịu với stress của thực vật. Các tín hiệu stress kích hoạt các gen sinh tổng hợp ABA, thể hiện vai trò quan trọng trong sự tăng trưởng và phát triển của cây trong điều kiện stress. Nhiều tác giả đã nghiên cứu sản phẩm của các gen tổng hợp ABA và các yếu tố tham gia vào con đường dẫn truyền tín hiệu stress độ mặn cao (Tuteja, 2007).