Con đường sinh tổng hợp proline ở thực vật

1.2. TÍNH CHỐNG CHỊU VỚI CÁC ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG BẤT LỢI CỦA THỰC VẬT

1.2.3. Vai trò của proline và con đường sinh tổng hợp proline ở thực vật

1.2.3.2. Con đường sinh tổng hợp proline ở thực vật

Hình 1.3: Con đường sinh tổng hợp proline ở thực vật bậc cao (Delauney & Verma, 1993)

Con đường sinh tổng hợp proline ở thực vật bậc cao có thể được thực hiện qua hai con đường hoặc từ glutamate hoặc từ ornithine (hình 1.3). Proline được sinh tổng hợp từ tiền chất glutamate đƣợc coi là một trong những chu trình sinh tổng hợp quan trọng nhất của thực vật ở những điều kiện sinh lý nhất định, khi thực vật bị

giới hạn về nguồn nitơ hoặc sống trong môi trường bất lợi về áp suất thẩm thấu.

Ngược lại, con đường sinh tổng hợp proline thông qua tiền chất ornithine thường xảy ra khi thực vật sống trong điều kiện môi trường thừa nitơ (Delauney & Verma, 1993). Con đường sinh tổng hợp proline từ tiền chất glutamate được chứng minh đầu tiên ở vi khuẩn (Leisinger, 1987). Ở thực vật bậc cao, chu trình này chỉ đƣợc xác định sau khi các nhà khoa học thành công trong việc phân lập đƣợc đoạn cDNA của gen mã hóa cho enzyme pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) (Hu et al., 1992). P5CS là một enzyme giữ hai chức năng chính, thứ nhất enzyme hoạt hóa tiền chất glutamate trở thành dạng hoạt động của nó là glutamic-semi- aldehyde (GSA) và sau đó xúc tác cho phản ứng đóng vòng để tạo ra pyrroline-5- carboxylate (P5C). Dẫn xuất này sau đó sẽ bị khử bằng phản ứng xúc tác bởi enzyme pyrroline-5-carboxylate reductase để tạo L-proline.

Ở thực vật, proline không chỉ đƣợc tổng hợp từ glutamate mà còn từ ornithine. Trong quá trình sinh tổng hợp này gốc amin của ornithine có thể đƣợc chuyển thành glutamic-semi-aldehyde bởi sự xúc tác của enzyme ornithine-

aminotransferase (-OAT) hoặc thành α-keto-aminovalerate (KAV) bởi sự xúc tác của enzyme -OAT. Theo con đường thứ nhất glutamic-semi-aldehyde sẽ được đóng vòng để tạo pyrroline-5-carboxylate do hoạt tính của enzyme pyrroline-5- carboxylate reductase. Ở con đường thứ hai α-keto-aminovalerate được đóng vòng tạo pyrroline-2-carboxylate (P2C) do hoạt tính của enzyme pyrroline-2-carboxylate reductase (P2CR) (Delauney và Verma, 1993). Các phân tích về sự biểu hiện của gen -OAT ở cây đậu cho thấy gen này biểu hiện rất yếu trong điều kiện môi trường bình thường và điều kiện môi trường bất lợi, nhưng trong điều kiện môi trường thừa nitơ thì gen này lại biểu hiện rất mạnh (Armengaud et al., 2004). Bởi vậy, quá trình tổng hợp proline từ tiền chất ornithine đƣợc cho là diễn ra trong các điều kiện môi trường sống thừa nitơ. Trong một số trường hợp đặc biệt như ở cây cỏ ngọt và cây Arabidopsis gen -OAT biểu hiện rất mạnh, lƣợng mARN tăng cao ở các điều kiện môi trường bất lợi về áp suất thẩm thấu. Bởi vậy, các nhà khoa học

cũng cho rằng sự tích lũy proline theo con đường sinh tổng hợp từ ornithine có vai trò đối với tính chống chịu của một số loài thực vật khi gặp các điều kiện môi trường bất lợi về áp suất thẩm thấu (Trovato et al., 2008).

1.2.3.3. Sự điều hòa quá trình trao đổi proline ở thực vật

Việc nghiên cứu về quá trình trao đổi proline ở thực vật đã đƣợc thực hiện nhiều, nhƣng đến nay kiến thức về cơ chế điều hòa quá trình trao đổi proline vẫn còn rất hạn chế. Sơ đồ hình 1.4 mô tả cơ chế và các tác nhân có vai trò trong quá trình điều hòa trao đổi proline ở thực vật. Quá trình sinh tổng hợp proline đƣợc hoạt hóa và quá trình dị hóa proline bị hạn chế khi cây trồng bị xử lý hạn. Khi cung cấp đủ nước trở lại cho cây trồng sau xử lý hạn thì các quá trình này sẽ hoạt động theo hướng ngược lại, nghĩa là quá trình di hóa proline được hoạt hóa mạnh và quá trình tổng hợp bị hạn chế (Xue et al., 2009).

Hình 1.4: Cơ chế điều hòa quá trình trao đổi proline ở thực vật (Szabados & Savoure, 2009). Đường màu xanh lá cây là tổng hợp và đường màu đỏ là dị hóa proline.

Quá trình sinh tổng hợp proline đƣợc kiểm soát chính bởi sử biểu hiện của 2 gen (P5CS1, P5CS2) mã hóa cho enzyme P5CS. Hai gen này có độ tương đồng rất cao về trình tự mã hóa nhƣng biểu hiện gen lại rất khác nhau trong những điều kiện

môi trường khác nhau (Armengaud et al., 2004). Các nghiên cứu cho thấy ở cây Arabidopsis, gen P5CS2 là một gen chủ chốt, hoạt động của gen P5CS2 chủ yếu ở các mô phân sinh, nhƣ: đỉnh chồi, chóp rễ, ở hoa và các tế bào nuôi cấy (Székely et al., 2008). Hai gen P5CS đều biểu hiện ở các mô phân sinh của hoa nhằm cung cấp proline cho quá trình phát triển của hoa (Mattioli et al., 2009). Ở cây Arabidopsis gen P5CS1 biểu hiện rất mạnh khi đƣợc cảm ứng bởi các yếu tố bất lợi về thẩm thấu và cũng đƣợc cảm ứng bởi acid abscisic (ABA). Ngoài ra, một số nghiên cứu cho thấy sử biểu hiện của gen P5CS1 và sự tích lũy proline cũng bị kích thích bởi ánh sáng và bị ức chế bởi các hợp chất brassinosteroid (Hayashi et al., 2000; Abrahám et al., 2003). Cây sống trong điều kiện môi trường bình thường, enzyme phospholipase D (PLD) giữ chức năng nhƣ một chất tham gia vào quá trình điều hòa tích lũy proline.

Còn khi cây sống trong môi trường bất lợi về mặn, Ca2+ và enzyme phospholipase C (PLC) kích thích quá trình phiên mã của gen P5CS để tham gia sinh tổng hợp và tích lũy proline (Thiery et al., 2004). Ngƣợc lại, kết quả nghiên cứu của Knight và đtg (1997) ở cây Thellungiella halophila chịu mặn cho thấy, PLD lại là một chất điều hòa có tác dụng kích thích sinh tổng hợp và tích lũy proline, còn PLC đƣợc cho là chất điều hòa có tác dụng bất hoạt sự tích lũy proline. Ca2+ có chức năng nhƣ một chất truyền tín hiệu tương tác với nhân tố phiên mã MYB2 để hoạt hóa sự biểu hiện của gen P5CS1 khi cây bị stress về muối (Szabados & Savoure, 2009).

Cơ chế điều hòa sinh tổng hợp và tích lũy proline không chỉ thông qua quá trình điều hòa sự biểu hiện của các gen P5CS, mà hoạt tính của enzyme P5CS cũng đƣợc kiểm soát bởi quá trình trao đổi proline. Zhang và đtg (1995) nghiên cứu cho thấy, khi hàm lƣợng proline tích lũy trong tế bào tăng cao sẽ dẫn đến sự ức chế phản hồi ngƣợc hoạt tính của enzyme P5CS. Còn khi enzyme P5CS không bị ức chế phản hồi ngƣợc bởi proline thì sự tích lũy axít amin này sẽ tăng rất mạnh trong tế bào.

Quá trình chuyển hóa tiền chất pyrroline-5-carboxylate (P5C) thành proline không phải là bước giới hạn trong chu trình sinh tổng hợp proline. Bởi vậy, sự điều hòa hoạt tính của enzyme P5CR cho thấy sự phức tạp trong cơ chế điều hòa sự biểu hiện của gen P5CR. Kết quả phân tích trình tự đoạn promoter điều khiển hoạt động của

gen P5CR phân lập từ cây Arabidopsis đã xác định đƣợc một đoạn trình tự có chiều dài 69 bp quy định hoạt động đặc hiệu mô của gen này. Đến nay, các nhà khoa học vẫn chƣa xác định đƣợc các nhân tố tác động dạng trans liên kết đặc hiệu với đoạn trình tự cis này (Hua et al., 1999).

Quá trình sinh tổng hợp proline ở thực vật bị kích hoạt bởi ánh sáng và các yếu tố bất lợi về áp suất thẩm thấu (hạn, mặn). Ngƣợc lại, quá trình dị hóa proline lại được hoạt hóa trong điều kiện môi trường sống không có ánh sáng và điều kiện môi trường bình thường. Quá trình di hóa proline được kiểm soát bởi hai enzyme là proline dehydrogenase(PDH) và pyrroline-5-carboxylate dehydrogenase(P5CDH) (hình 1.4). Quá trình biểu hiện của gen PDH mã hóa cho enzyme PDHđƣợc hoạt hóa bởi chính proline khi cây được cung cấp đủ nước sau khi bị hạn. Sự phiên mã của gen PDH lại bị ức chế khi cây bị stress nước do đó đảm bảo proline không bị phân giải khi cây sống trong môi trường bị stress nước. Sự biểu hiện của gen PDH bị ức chế vào ban ngày nhƣng lại đƣợc hoạt hóa vào buổi tối do đó hoạt động của gen này ngƣợc với hoạt động của gen P5CS1. Kết quả phân tích promoter điều khiển hoạt động của gen PDH đã xác định đƣợc nhân tố cảm ứng với trạng thái thẩm thấu và proline, là nhân tố giữ vai trò rất quan trọng đối với quá trình hoạt hóa của gen này (Satoh et al., 2002). Yếu tố phiên mã liên kết với promoter điều khiển biểu hiện gen PDH là họ protein giàu leucine. Kết quả phân tích hoạt động của gen P5CDH ở các mô của cây Arabidopsis cho thấy gen này biểu hiện rất yếu và khi bổ sung proline vào môi trường thì sự biểu hiện của gen này tăng lên. Phân tích đoạn promoter của gen P5CDH phân lập từ cây lúa và Arabidopsis cũng xác định đƣợc các trình tự đặc trưng tương tự trên promoter của gen PDH. Borsani và đtg (2005) khi phân tích cơ chế điều hòa sau phiên mã của gen P5CDH cho thấy tồn tại các đoạn đối mã trong tự nhiên tạo ra các cấu trúc ức chế RNA nhỏ (24 nucleotides và 21 nucleotides siRNA) hoạt hóa cho quá trình cắt các phân tử RNA thông tin của gen P5CDH, nên làm giảm mức độ biểu hiện của gen này khi cây gặp các điều kiện bất lợi từ môi trường. Kết quả này cho thấy rằng, cơ chế ức chế hoạt động biểu hiện của gen ở mức độ sau phiên mã là rất quan trọng trong việc điều khiển hoạt động

của gen P5CDH ở thực vật. Ở cây lanh (Linum usitatissimum) gen FIS1 mã hóa cho enzyme P5CDH được hoạt hóa khi cây nhiễm virus hoặc bị tổn thương (Ayliffe et al., 2002).