2.5 Sự chống chịu mặn của cây đậu nành
2.5.3 Cơ chế chống chịu mặn của cây đậu nành
Theo Phang et al. (2008), cơ chế chống chịu mặn của đậu nành có thể đƣợc chia thành 4 nhóm chính, bao gồm: (i) duy trì sự cân bằng ion nội môi (ion homeostasis); (ii) sự điều chỉnh trong đáp ứng với stress thẩm thấu; (iii) sự phục hồi cân bằng oxy hóa; và (iv) sự thích nghi về mặt cấu trúc và trao đổi chất khác. Khả năng chống chịu mặn khác nhau thể hiện ở các giống khác nhau đƣợc quyết định bởi hiệu quả của chúng trong sự hoạt động và phối hợp giữa các hệ thống này.
Duy trì sự cân bằng ion nội môi và vai trò của các transporter vận chuyển ion
Theo Gao et al. (2007), các loại muối ƣu thế ở các vùng ven biển và nội địa là NaCl và Na2CO3/NaHCO3. Hầu hết các nghiên cứu trên A. thaliana và lúa cho thấy Na+ là ion gây chết chủ yếu và sự tích lũy Na+ quá ngƣỡng là nguyên nhân cơ bản của sự chết do mặn. Tuy nhiên, ở đậu nành, các thí nghiệm cơ bản đƣợc thực hiện bởi Abel và cộng sự cho thấy sự tổn hại do mặn liên quan đến hàm lƣợng Cl- trong các bộ phận tiếp xúc với không khí (Abel and MacKenzie, 1964; Abel, 1969). Na+ hay Cl- đóng vai trò quan trọng hơn gây ra sự chết do mặn với muối NaCl ở đậu nành vẫn còn chƣa sáng tỏ (Phang et al., 2008).
Một vài kết quả nghiên cứu đã ủng hộ ý kiến cho rằng sự chia ngăn trong và ngoài tế bào có liên quan đến sự điều hòa của nội cân bằng ion Na+ ở cây đậu nành. Khi xử lý NaCl, các tế bào nhu mô có thể biệt hóa thành các tế bào vận chuyển với vách phát triển tốt phồng lên liền kề với các lỗ của mạch mô gỗ bị bao lại ở vùng đầu của rễ và thân. Vách mọc vào trong đƣợc quan sát ở các tế bào nhu mô mô gỗ của đậu nành trong điều kiện stress mặn (Lauchli and Wieneke, 1978). Hơn thế, nhu mô mô gỗ ở ranh giới mô gỗ/symplast của rễ đậu nành có thể bơm tích cực ion Na+ từ dòng thoát hơi nước trong sự trao đổi với ion K+. Sự trao đổi Na+-K+ đƣợc điều hòa bởi các antiporters Na+/H+ và K+/H+. Quá trình này đƣợc cung cấp năng lƣợng bởi H+-ATPase, đƣợc tăng cường bởi nồng độ K+ ở bên ngoài và phụ thuộc vào tính thấm của anion (Durand and Lacan, 1994; Lacan and Durand, 1995).
Một số gen mã hóa các transporter vận chuyển ion của đậu nành đã đƣợc xác định và cho thấy có liên quan đến sự chống chịu mặn (Bảng 2.1), bao gồm cả các transporter vận chuyển ion nằm trên màng sinh chất và không bào (Phang et al., 2008).
Bảng 2.1 Gen mã hóa transporter vận chuyển ion liên quan đến sự chống chịu mặn ở đậu nành
Gen Sản phẩm gen giả định Tài liệu tham khảo
GmAKT1 Kênh K+ Tsai, 2003
GmCLC1 Kênh Cl+ trong không bào Li et al., 2006
GmNHX1 Antiporter Na+/K+ trong Li et al., 2006; Sun et al.,
không bào 2006
GmSOS1 Antiporter Na+/K+ Phang, 2008
GmCNGC Kênh cation có cổng Phang, 2008
nucleotide
GmGLR3 Receptor glutamate Phang, 2008
GmNKCC Đồng vận chuyển Phang, 2008
Na+/K+/Cl-
GmCAX1 Trao đổi cation/proton Luo et al., 2005b
Sự điều chỉnh thẩm thấu bởi các chất bảo vệ thẩm thấu
Nồng độ muối cao dẫn đến thế năng nước trong môi trường thấp, kết quả là gây ra stress thẩm thấu cho cây. Cơ thể cây đậu nành sẽ có các đáp ứng thẩm thấu để đương đầu với hạn sinh lý. Ở điều kiện stress mặn trong thủy canh, cây đậu nành ngay lập tức trải qua sự stress thẩm thấu, quan sát bởi hiện tƣợng lá héo rũ trong 1 giờ và độ dẫn của khí khẩu giảm thấp hơn 50% vạch ranh giới trong 10 phút sau khi xử lý với NaCl. Lá lấy lại sức trương sau nhiều giờ xử lý cho thấy cơ thể thực vật phải trải qua sự điều chỉnh thẩm thấu để bảo tồn dòng thoát hơi nước của chúng.
Sự tích lũy các chất bảo vệ thẩm thấu
Trong sự đáp ứng đối với stress thẩm thấu gây ra do mặn hoặc hạn, cây trồng có thể tích lũy các chất biến dưỡng hoạt động như là các chất tan tương hợp để làm thấp thế năng thẩm thấu của tế bào mà không ảnh hưởng đến các phản ứng trao đổi chất bình thường (Hasegawa et al., 2000). Các chất tan tương hợp này thường là các hợp chất ưa nước với trọng lượng phân tử thấp và không mang điện ở pH sinh lý. Về mặt hóa học, các chất này đƣợc chia làm 4 nhóm: Hợp chất onium (glycine betaine, dimethyl sulfonio propionate), polyols đường (mannitol, D-ononitol, trehalose, pinitol), amino acids (proline), và alkaloids (trigonelline). Các chất tan tương hợp này có thể có các chức năng bảo vệ khác ngoài chức năng điều chỉnh thẩm thấu. Ví dụ, glycine betaine có thể làm ổn định protein và màng (Papageorgiou and Murata, 1995), trong khi mannitol có thể tham gia chống lại các gốc oxy hóa tự do ROS (reactive oxygen species) (Shen et al., 1997a,b). Vì vậy các chất tan này còn đƣợc gọi là các chất bảo vệ thẩm thấu. Một số chất bảo vệ thẩm thấu chính tham gia vào sự chống chịu mặn ở đậu nành nhƣ glycine betaine, trigonelline, pinitol, và proline.
Sự phục hồi cân bằng oxy hóa
Ty thể và lục lạp là nơi sản xuất chính ROS do hoạt động vận chuyển electron của chúng (Bartoli et al., 2004). Ở tình trạng cân bằng sinh lý, ROS đƣợc loại bỏ bởi các chất chống oxy hóa khác nhau. Mặn và stress thẩm thấu có thể làm xáo trộn sự cân bằng giữa sự tạo ra và loại bỏ ROS bằng cách làm suy yếu quá trình loại bỏ. Mức độ cao không mong muốn của ROS có thể gây ra nhiều ảnh hưởng bất lợi đến tế bào, bao gồm sự ngăn chặn các enzyme nhạy cảm, giảm diệp lục tố, peroxid hóa lipid, tấn công các đại phân tử bao gồm acid nhân và thậm chí có thể làm chết tế bào (Fath et al., 2001).
Một cơ chế có thể của sự chống chịu mặn ở đậu nành là nâng cao hàm lƣợng và hoạt động của các chất chống oxy hóa khác nhau để phục hồi lại sự cân bằng oxy hóa và làm giảm tối thiểu sự tổn hại tế bào do stress oxy hóa thứ cấp.
Tổn hại oxy hóa (sự tích lũy O2 và MDA), hoạt động của các scavenger ROS thuộc enzyme (SOD, CAT, peroxidase (POD), APX), và hàm lƣợng của các scavenger ROS không thuộc enzyme (ascorbic acid, carotenoid và glutathione) đƣợc đo trong lá và rễ của cây đậu nành bị stress mặn.
Ở tử diệp đậu nành, 80%, 11%, và 9% hoạt động SOD tổng số đƣợc tìm thấy trong tế bào chất, ty thể và lục lạp (Chen et al., 1997). Stress mặn đầu tiên ức chế hoạt động của SOD trong lục lạp, kế tiếp trong ty thể và tiếp theo trong tế bào chất. Hoạt động và thành phần của các isozymes SOD cũng bị thay đổi khi stress mặn (Chen et al., 1997), cho thấy vai trò quan trọng của các isozymes SOD trong sự chống chịu mặn của đậu nành.
Sự thích nghi về mặt cấu trúc
Sự thích nghi về mặt cấu trúc, bao gồm sự phát triển của các cấu trúc giống tuyến muối và sự sửa đổi cấu trúc vách và màng tế bào có thể đóng vai trò quan trọng trong sự chống chịu mặn ở đậu nành.
Mặc dù đậu nành là loài không chịu mặn nhƣng cấu trúc giống tuyến muối đƣợc tìm thấy ở lá và thân của đậu nành hoang (Glycine soja) đƣợc thu thập ở Trung Quốc (Lu et al., 1998).
Protein vách tế bào giàu proline là một trong các thành phần của vách tế bào và rất nhạy cảm với các kích thích bên ngoài. Ở đậu nành, SbPRP3 mã hóa cho protein vách tế bào giàu proline, đƣợc cảm ứng bởi salicylic acid, sự xâm nhiễm virus, stress mặn và hạn (He et al., 2002). Chức năng của SbPRP3 ở đậu nành vẫn chƣa rõ nhƣng có thể hiểu đƣợc là đậu nành có thể đáp ứng
với stress mặn bằng cách tăng sản xuất SbPRP3 để thay đổi cấu trúc vách tế bào.
Hàm lƣợng acid béo bão hòa đƣợc nâng lên trong màng sinh chất có thể cải thiện sự thích nghi của màng sinh chất và tăng cường sự chống chịu mặn của đậu nành (Surjus and Durand, 1996).
Luo et al. (2005) báo cáo rằng cơ chế chống chịu mặn của đậu nành hoang khác với đậu nành đƣợc canh tác. Sự chống chịu mặn ở G. max chủ yếu do sự ngăn cản sự vận chuyển ion Cl- từ rễ lên các bộ phận phía trên của cây giúp ngăn cản sự tích lũy đến mức gây độc trong thân và lá. Ngƣợc lại, lá của các dòng đậu nành G. soja chịu mặn hoặc đậu nành hoang thì không dễ bị tổn thương do ngộ độc Cl- như G. max nhưng dễ bị tổn thương hơn đối với sự tích lũy Na+. Sự chống chịu mặn ở G. soja chủ yếu là từ sự loại bỏ ion Na+ giúp ngăn cản sự tích lũy đến nồng độ độc ở thân và lá.