Stress phi sinh học như hạn hán và độ mặn cao ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của thực vật. Trong những năm gần đây, nhiều tiến bộ đã được thực hiện theo hướng xác định tiềm năng các gen liên quan đến khả năng tăng sức chịu đựng của thực vật đối với các stress phi sinh học từ môi trường [11].
Nhân tố phiên mã NAC (bắt nguồn từ ba chữ NAM-no apical meristem, ATAF-Arabidopsis transcription activation factor, CUC-cup-shaped cotyledon) là
18
một họ protein có chức năng rất đa dạng, giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa sự sinh trưởng và phát triển của thực vật, quá trình lão hóa, phát triển hình thái, con đường truyền tín hiệu, điều chỉnh nội tiết tố và phản ứng với những tác động khác nhau từ ngoại cảnh [23], [27], [28]. Nhân tố phiên mã NAC có một loạt các chức năng quan trọng không chỉ trong sự phát triển thực vật mà còn trong phản ứng với các stress phi sinh học. Gen NAC đã được chứng minh có liên quan đến tính chống chịu stress phi sinh học [33]. Kết quả nghiên cứu của Liu và cs (2009) cũng chi ra rằng gen NAC1 có vai trò quan trọng trong phản ứng với các stress từ ngoại cảnh, tăng cường khả năng chống chịu các yếu tố bất lợi sinh học và phi sinh học [21].
Nghiên cứu của Lu và cs (2012) cho kết quả gen ZmNAC được cảm ứng mạnh mẽ bởi nhiệt độ thấp, độ mặn cao, khô hạn, và axit abscisic (ABA) [28]. Các nghiên cứu vai trò của gen NAC còn xem xét ở khía cạnh nhận và truyền tín hiệu các yếu tố môi trường để thực hiện chức năng hoạt hóa quá trình phiên mã. Những kết quả nghiên cứu của các tác giả cũng đã chỉ ra rằng protein NAC1 có chức năng hoạt hoá quá trình phiên mã của nhóm gen chịu hạn trong môi trường thiếu nước cực đoan và có thể ứng dụng nhằm cải thiện tính chịu hạn của thực vật và cây ngô bằng kỹ thuật chuyển gen [28], [33]. Có hai xu hướng tìm kiếm gen liên quan đến tính chống chịu của cây trồng đối với các yếu tố ngoại cảnh bất lợi phi sinh học (1) gen liên quan trực tiếp đến tính chịu hạn, chịu nhiệt, chịu mặn và (2) gen tổng hợp sản phẩm protein có vai trò điều khiển quá trình phiên mã. Gen NAC là họ gen trong nhóm gen điều hoà hoạt động phiên mã của nhóm gen chống chịu [11].
2.5.1 Nghiên cứu gen NAC ở trên cây Arabidopsis
Protein NAC là những nhân tố phiên mã đặc trưng ở thực vật có chức năng liên quan đến sự phát triển của thực vật và đáp ứng lại với những stress từ các yếu tố sinh học và phi sinh học. cDNA mã hóa protein NAC lần đầu tiên được báo cáo dưới dạng gen RD26 (RESPONSIVE TO DEHYDRATION 26) ở cây Arabidopsis [28]. Các vùng NAC đã xác định được dựa trên các trình tự đồng nhất từ Petunia NAM, Arabidopsis ATAF1/2 và protein CUC2 (tên được đặt từ chữ cái viết tắt của các gen) [33]. Nhiều protein NAC, bao gồm Arabidopsis CUC2, có chức năng quan trọng trong sự phát triển của thực vật. Một số gen NAC được tăng cường điều hòa khi có vết thương và sự xâm nhiễm của vi khuẩn, trong khi những gen khác gián
19
tiếp chống lại virus [34] . Các protein NAC được cho rằng là yếu tố kích hoạt phiên mã như những protein ATAF1/2 ở Arabidopsis, có thể kích hoạt promoter CaMV 35S trong tế bào nấm men. Các protein Arabidopsis AtNAM (NARS2) đã được xác định bởi Duval và cs [29] có chức năng như một yếu tố hoạt hóa phiên mã trong hệ thống tế bào nấm men.
ZmSNAC1 đã được giải trình tự và nhân lên ở plasmid pCAMBIA3301 (CAMBIA, Canberra, Australia), nó được điều khiển bởi promoter CaMV35S ở virus gây bệnh khảm súp lơ. Cấu trúc này được chuyển vào Agrobacterium tumefaciens GV3101 và sau đó được chuyển vào Arabidopsis sử dụng phương pháp floral dip [15]. Hạt cây T1 và T2 được nuôi cấy bề mặt trên môi trường chọn lọc MS có agar trong 7.5 mg/L phosphinothricin (PPT) [32]. Cây chuyển gen thành công sẽ được chọn lọc theo tỉ lệ (chống chịu : mẫn cảm = 3:1) và được xác định bởi quá trình PCR hệ gen. Sự chọn lọc cây chuyển gen thế hệ T3 đã được biểu hiện 100% cây kháng PPT là dạng đồng hợp tử và sau đó được thu riêng rẽ để phân tích [31].
2.5.2 Nghiên cứu gen NAC trên cây ngô
Protein NAC là những yếu tố phiên mã thực vật có vai trò quan trọng trong phản ứng với stress . Tuy nhiên, chỉ có rất ít thông tin liên quan đến gen NAC có sẵn trong ngô. Trong nghiên cứu này, một gen NAC ở ngô là ZmSNAC1, được tách dòng và có chức năng đặc trưng. Nghiên cứu phân tích cho thấy ZmSNAC1 được tăng cường biểu hiện ở điều kiện nhiệt độ thấp, độ mặn cao, thiếu nước, và abscisic acid (ABA), nhưng sự biểu hiện sẽ giảm khi xử lý bằng acid salicylic. Những thí nghiệm ở mức độ phân tử trong nguyên sinh chất của các tế bào Arabidop chỉ ra rằng ZmSNAC1 được định vị trong nhân. Những thí nghiệm đã chứng minh rằng gen ZmSNAC1 có chức năng như một yếu tố kích hoạt phiên mã. Sự biểu hiện quá mức của ZmSNAC1 trong Arabidopsis được điều khiển khi quá mẫn cảm với ABA và áp suất thẩm thấu ở giai đoạn nảy mầm , nhưng tăng cường khả năng chịu hạn so với dạng cây hoang dại. Những kết quả này cho thấy chức năng ZmSNAC1 như một yếu tố phiên mã đáp ứng stress trong đặc tính chống chịu stress phi sinh học, và có thể ứng dụng trong kỹ thuật trồng cây chịu hạn [31].
20