1.2. TÍNH CHỐNG CHỊU VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG BẤT LỢI CỦA THỰC VẬT
1.2.4. Vai trò của glycine betaine (GB) và con đường sinh tổng hợp GB ở sinh vật
Glycine betaine (GB) một hợp chất amoni bậc bốn, là một trong những chất hòa tan tương thích hiệu quả nhất và được tìm thấy trong một phạm vi rộng của các loài động vật, vi khuẩn và một số loài thực vật hạt kín chịu hạn hán và chịu mặn (Chen & Murata, 2002). Trước đây GB đã được đề xuất, tăng tích lũy các betaine trong các loài thực vật đóng một vai trò sinh lý quan trọng làm giảm bớt căng thẳng thẩm thấu (Wyn Jones, 1984). Trong tự nhiên, rau bina, ngô, củ cải đường và lúa mạch, nhanh chóng tích lũy GB xảy ra trong quá trình cây bị căng thẳng (stress) với muối, hạn hán và nhiệt độ thấp (Bohnert et al., 1995). GB bảo vệ cây bằng cách hoạt động như một chất hữu cơ có ảnh hưởng đến thẩm thấu (osmolyte), duy trì cân bằng nước giữa các tế bào thực vật và môi trường, ổn định các đại phân tử dưới điều kiện khô hạn và nồng độ muối cao (Papageorgiou &
Murata, 1995).
GB tích lũy ở nồng độ cao không gây cản trở chức năng của tế bào chất và có tác dụng đảm bảo tính ổn định cấu trúc và chức năng của các đại phân tử. GB xuất hiện nhƣ một yếu tố quyết định tới khả năng chống chịu điều kiện bất lợi ở cây trồng. Chất này có hiệu quả lớn và liên quan mật thiết đến khả năng sinh trưởng của cây trồng trong điều kiện môi trường hạn hán và nhiễm mặn. Mức độ tích lũy GB tương quan với khả năng chống chịu điều kiện bất lợi. GB được tích lũy chủ yếu trong lục lạp, nó đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh và duy trì màng thylacoid, do đó duy trì hiệu quả quang hợp (Yang et al., 2003).
Trong nhiều loài cây trồng, sự tích lũy tự nhiên của GB đủ để cải thiện tác động tiêu cực của tình trạng mất nước gây ra bởi những vấn đề môi trường khác nhau. Bên cạnh đó, một số loài cây trồng nhƣ lúa, khoai tây, cà chua, thuốc lá, v.v.
tự nhiên không sản xuất GB trong điều kiện stress hoặc không stress. Các ứng dụng của GB ngoại sinh có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực của môi trường bên ngoài. GB ngoại sinh có thể thâm nhập qua lá và đƣợc vận chuyển đến các cơ quan nơi nó sẽ góp phần tăng cường khả năng chịu đựng stress. Ngoài ra, những loài cây này là mục tiêu tiềm năng cho việc ứng dụng kỹ thuật di truyền của quá trình sinh tổng hợp GB (McCue & Hanson, 1990). Với kiến thức ngày càng hiểu biết sâu rộng về genomics và proteomics cùng với các công nghệ kỹ thuật gen, một số loài thực vật đã được chuyển các gen mục tiêu liên quan đến con đường sinh tổng hợp GB, các cây chuyển gen đã được chứng minh tăng cường khả năng chống chịu các điều kiện stress phi sinh học (Sakamoto & Murata, 2002).
1.2.4.2. Các con đường sinh tổng hợp glycine betaine ở sinh vật a) Sinh tổng hợp glycine betaine ở thực vật
Ở thực vật bậc cao, GB đƣợc tổng hợp từ serine qua ethanolamine, choline và betaine aldehyde. Quá trình sinh tổng hợp GB ở thực vật trải qua hai bước như sau: (1) Đầu tiên, tiền chất choline đƣợc chuyển thành betaine aldehyde (một hợp chất trung gian độc với thực vật) nhờ sự xúc tác của choline monooxygenase (CMO). (2) Tiếp theo, betaine aldehyde được chuyển thành glycine betaine dưới hoạt động của betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) (Rathinasbapathi et al.
1997). Mặc dù, con đường tổng hợp GB trực tiếp từ sự N-methyl hóa glycine cũng đƣợc biết đến, nhƣng sự tích lũy GB ở tất cả các loài thực vật đƣợc xác định là con đường tổng hợp từ choline (hình 1.5).
Hình 1.5: Sinh tổng hợp glycine betaine ở thực vật bậc cao (Rathinasbapathi et al., 1997)
b) Sinh tổng hợp glycine betaine ở vi khuẩn Escherichia coli và động vật
Ở E. coli và ở một số động vật, con đường sinh tổng hợp GB cũng trải qua hai bước là khử choline thành betaine aldehyde và oxy hóa betaine aldehyde thành GB (hình 1.6). Tương ứng, hai bước đó được xúc tác bởi choline dehydrogenase (CDH) và betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) (Takabe et al., 1998).
Hình 1.6: Sinh tổng hợp glycine betaine ở E.coli (Takabe et al., 1998)
c) Sinh tổng hợp glycine betaine ở vi khuẩn Arthrobacter globiformis và Arthrobacter panescens
Ngược lại, con đường sinh tổng hợp GB ở Arthrobacter globiformis và A.
panescens rất đơn giản, choline đƣợc chuyển hóa thành GB chỉ cần xúc tác bởi một enzyme choline oxidase (COD) (hình 1.7). Kết quả là từ tiền chất choline chuyển hóa thành sản phẩm trực tiếp là GB không thông qua hợp chất trung gian (Ikuta et al., 1977).
Hình 1.7: Sinh tổng hợp glycine betaine ở A. globiformis (Ikuta et al., 1977)
d) Sinh tổng hợp glycine betaine ở Actinopolyspora halophilia và Ectothiorhodospira halochloris
Ngoài các con đường tổng hợp GB từ choline như trên, một con đường sinh tổng hợp GB bắt đầu từ glycine đã đƣợc phát hiện trong hai loài vi sinh ƣa mặn là Actinopolyspora halophilia và Ectothiorhodospira halochloris (hình 1.8). Quá trình
sinh tổng hợp GB đƣợc thực hiện bằng 2 enzyme: đầu tiên glycine sarcosine methyltransferase (GSMT) xúc tác bước methyl hóa glycine thành sarcosine (N- monomethylglycine), tiếp theo sarcosine dimethylglycine methyltransferase (SDMT) xúc tác 2 phản ứng liên tiếp chuyển hóa sarcosine thành dimethylglycine và cuối cựng thành GB (Nyyssửlọ et al., 2000).
Hỡnh 1.8: Sinh tổng hợp GB ở Actinopolyspora halophilia (Nyyssửlọ et al., 2000) Từ các con đường sinh tổng hợp GB ở các đối tượng sinh vật khác nhau như nêu ở trên, nhận thấy con đường sinh tổng hợp GB ở Arthrobacter globiformis và A. panescens là đơn giản nhất. Từ tiền chất choline đƣợc chuyển hóa thành GB chỉ cần xúc tác bởi enzyme choline oxidase (COD) đƣợc mã hóa bởi gen codA nên chúng tôi chọn gen codA làm gen mục tiêu để nghiên cứu.