Theo Kramer (1969, 1983) hạn là tác động của môi trƣờng xung quanh đủ để gây nên sự mất nƣớc ở thực vật. Hiện tƣợng mất nƣớc có thể là tác động sơ cấp, là kết quả của sự thiếu nƣớc của môi trƣờng, hoặc là tác động thứ cấp đƣợc gây nên bởi nhiệt độ thấp, sự đốt nóng hoặc tác động của muối (Levitt, 1980) [1].
Hiện nay có nhiều quan điểm khác nhau giải thích cơ chế chịu hạn, trong đó có hai quan điểm đƣợc chấp nhận hơn cả là vai trò của bộ rễ và khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu.
Ở lúa các tính trạng rễ đƣợc xem là những tính trạng hình thái quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu hạn. Khả năng thu nhận nƣớc chủ yếu phụ thuộc vào chức năng của bộ rễ. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, những giống lúa có bộ rễ khỏe, dài và mập sẽ giúp cho cây hút đƣợc nƣớc ở những tầng đất sâu và sẽ cho năng suất ổn định trong điều kiện khó khăn về nƣớc.
Nghiên cứu về hình thái bộ rễ lúa cho thấy, hình thái của bộ rễ lúa rất đa dạng. Trong khi các giống lúa nƣơng có bộ rễ khỏe, to và có khả năng xuyên sâu, thì các giống lúa nƣớc có bộ rễ lan rộng (nhiều rễ phụ) và có nhiều mô thông khí. Trong số các tính trạng của bộ rễ đƣợc nghiên cứu thì tính trạng tổng chiều dài rễ có mối liên quan chặt chẽ đến tính chịu hạn ở lúa cạn [15].
Sự phát triển của các nhánh rễ phụ hoặc sự gia tăng chiều dài bộ rễ ảnh hƣởng nhiều đến khả năng đẻ nhánh của lúa trong điều kiện khô hạn. Khả năng thu nhận nƣớc và và cung cấp đủ nƣớc thông qua rễ tới các bộ phận của cây trong điều kiện khó khăn về nƣớc đƣợc coi là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá tính chịu hạn.
Theo Hanson và cs (1990) trong chọn tạo giống lúa cạn theo hƣớng tăng cƣờng tính chịu hạn thì mục tiêu tăng cƣờng kích thƣớc và khả năng xuyên sâu của bộ rễ là chủ đạo. Tuy nhiên cơ chế cơ học của quá trình phát triển và khả năng xuyên sâu của bộ rễ vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ.
Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu (ASTT) của tế bào thực vật, đặc biệt là tế bào có mối liên quan trực tiếp đến khả năng cạnh tranh nƣớc của tế bào rễ cây đối với đất. Trong điều kiện hạn, ASTT đƣợc điều chỉnh tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận đƣợc những phân tử nƣớc ít ỏi có trong đất (Steponkus và cs, 1980 và 1982). Bằng cơ chế nhƣ vậy, thực vật có thể vƣợt qua đƣợc tình trạng hạn cục bộ có một ý nghĩa quan trọng cho những vùng chƣa chủ động đƣợc nƣớc tƣới tiêu [1].
Có khá nhiều nghiên cứu tập trung tìm hiểu cơ chế của tính chịu hạn (Farshadfar và cs, 1995; Fyschhof và cs, 1987; Gaff, 1980; Jones, 1980; Rao và cs, 1994). Trong đó không ít nghiên cứu đề cập đến vai trò của axit abscisic (ABA - abscisic acid) (Austin và cs, 1982; Capell và cs, 1993; Chandler và cs, 1980; Gomez và cs, 1988; Lang và cs, 1990) và của prolin đối với khả năng chịu hạn của thực vật nói chung và cây trồng nói riêng (Panday và cs, 1985; Stewart và cs, 1982; Verma, 1990; Xin và cs, 1993). Nhìn chung, khi tế bào bị mất nƣớc dần dần các chất hòa tan sẽ đƣợc tích lũy trong tế bào chất nhằm chống lại việc giảm tiềm năng nƣớc và tăng khả năng giữ nƣớc của nguyên sinh chất. Các chất hòa tan có liên quan bao gồm: Các loại đƣờng, các axit hữu cơ, các amino acid, các ion ( chủ yếu là các ion K+). Hầu hết các loại
chất tan hữu cơ có tác dụng điều chỉnh ASTT đƣợc sinh ra ngay trong quá trình đồng hóa và trao đổi chất [1].
Nhiều nghiên cứu cho thấy phạm vi điều chỉnh ASTT nằm trong khoảng 0,5 - 0,6 Mpa. Ngƣợc lại, Culter và cs, 1980 đã không thấy sự thay đổi nào của ASTT ở bốn giống lúa cạn trong điều kiện thiếu nƣớc cực đoan. Turner và Jones, 1980, thấy rằng các giống lúa cạn có tiềm năng nƣớc ở mô lá cao hơn các giống lúa nƣớc. Tuy nhiên cho đến nay vẫn chƣa có đủ số liệu để kết luận sự khác nhau về kiểu gen liên quan đến điều chỉnh ASTT giữa các giống lúa cạn và lúa nƣớc.
Thành phần hóa sinh của hạt nhƣ: Hàm lƣợng protein, đƣờng tan, enzym, thành phần amino acid… không chỉ là cơ sở để đánh giá chất lƣợng hạt mà còn là các chỉ tiêu liên quan đến khả năng chống chịu của cây trồng.
Trong cơ thể thực vật, đƣờng tập trung nhiều ở thành tế bào, mô nâng đỡ, mô dự trữ, là sản phẩm của quá trình quang hợp ở tế bào. Đƣờng có nhiều vai trò quan trọng trong cơ thể sống, đó là cung cấp năng lƣợng cho cơ thể, cấu trúc và tạo hình, góp phần bảo vệ tƣơng tác đặc hiệu cho tế bào…Theo nhiều nghiên cứu, hàm lƣợng đƣờng tan có liên quan trực tiếp đến khả năng chống chịu của cây trồng. Đƣờng tan là một trong các chất tham gia điều chỉnh ASTT trong tế bào. Những nghiên cứu đã cho thấy rằng, tăng ASTT của tế bào thông qua các phân tử đƣờng tan thì làm tăng khả năng chống chịu của cây trồng [9], [42].
Những thay đổi hóa sinh khác do hạn gây ra cũng đã đƣợc nghiên cứu, chẳng hạn nhƣ giảm cố định CO2, giảm tổng hợp protein và axít nucleic, tăng hoạt tính ribonuclease (RNase), tăng hàm lƣợng prolin, tăng nồng độ các chất hòa tan nhƣ betain [15]. Theo thông báo của Chen và Muranta (2002) [26] tính chống chịu của thực vật tăng lên khi đƣợc chuyển các gen mã hóa cho các enzym tham gia vào con đƣờng sinh tổng hợp prolin trong tế bào. Nhiều
công trình nghiên cứu cho thấy sự tích lũy prolin có thể tăng từ 10 đến 100 lần ở thực vật dƣới tác động của áp suất thẩm thấu [22]. Nghiên cứu của Nguyễn Hữu Cƣờng và các cs [2] cho rằng sự gia tăng hàm lƣợng prolin của các giống lúa nghiên cứu có mối tƣơng quan thuận với tính chống chịu lạnh, mặn và hạn.
Prolin có vai trò quan trọng trong điều hòa ASTT của tế bào, đồng thời nó là một amino acid ƣa nƣớc có khả năng giữ và lấy nƣớc cho tế bào, ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+, tƣơng tác với protein và lipit màng, ngăn chặn sự phá hủy của màng và phức hợp protein khác. Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy khi cây trồng gặp hạn thì cây giảm tổng hợp protein và tăng tổng hợp prolin [22]. Sự gia tăng hàm lƣợng prolin ở thực vật khi gặp phải điều kiện bất lợi nhƣ do hạn, mặn, nóng… có liên quan đến các gen tổng hợp prolin và các gen điều khiển quá trình vận chuyển prolin. Khi môi trƣờng đất thiếu nƣớc đến mức ASTT của tế bào không thể cạnh tranh đƣợc với ASTT của đất thì gen tham gia vào quá trình tổng hợp prolin sẽ đƣợc hoạt hóa, xúc tiến cho việc tổng hợp prolin và vận chuyển prolin đến các mô, tế bào có nhu cầu. Khi cây ở tình trạng bình thƣờng (không chịu tác động của stress môi trƣờng) thì prolin trong cây sẽ đƣợc chuyển hóa thành glutamat. Còn khi cây rơi vào tình trạng thiếu nƣớc do hạn thì glutamat sẽ đƣợc chuyển hóa thành prolin.
Nghiên cứu về cơ chế phân tử liên quan đến tính chống chịu ngƣời ta đi sâu vào hai hƣớng chính: khả năng bảo vệ tế bào khỏi tác động của điều kiện cực đoan và khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu thông qua nghiên cứu các chất và các gen liên quan đến bảo vệ enzym, cấu trúc tế bào, đồng thời đào thải các chất bị biến tính gây độc cho tế bào khi gặp yếu tố cực đoan, các chất có khả năng tạo ASTT cao trong tế bào để cạnh tranh nƣớc với môi trƣờng xung quanh.
Protein sốc nhiệt (heat shock protein - HSP): HSP chiếm khoảng 1%
protein tổng số trong lá và có ở hầu hết các loài thực vật nhƣ: lúa mỳ, hành,
tỏi, đậu trắng…Trong các điều kiện cực đoan của môi trƣờng nhƣ: hạn,
muối… làm xuất hiện các HSP. Các HSP đƣợc xuất hiện cả trong các quá trình sinh trƣởng bình thƣờng của cây, các giai đoạn biệt hóa mô và trong thời kỳ sinh sản (Mc Elwain và Spiker, 1992; Kuznetsov, 1993). HSP đƣợc mã hóa bởi nhiều nhóm gen riêng biệt: nhóm mã hóa HSP trong nguyên sinh chất, trong lục lạp và lƣới nội bào.
Trong các nhóm HSP có rất nhiều đại diện của môi giới phân tử (MGPT) nhất là các nhóm HSP70, HSP60. Tuy nhiên, có những HSP không phải là MGPT, ví dụ nhƣ HSP 8,5kDa. Nhóm HSP 8,5 kDa đồng nhất với Ubiquitin có hoạt tính protease và phân giải các protein không có hoạt tính enzym, ngăn chặn các protein này gây độc cho tế bào. Ubiquitin có MW rất thấp, ít chịu ảnh hƣởng của nhiệt độ nên chúng có vai trò tự sửa chữa khi gặp các yếu tố cực đoan nhất là nhiệt độ cao.
MGPT là một nhóm gồm nhiều loại protein khác nhau nhƣng chúng đều có chức năng tham gia tạo cấu trúc không gian đúng cho protein trong tế bào. MGPT đƣợc tăng cƣờng tổng hợp trong điều kiện cực đoan do nhu cầu cấp thiết của tế bào nhất là do những tác động của nhiệt độ
Các nhóm HSP90, HSP100 đều có tính bảo thủ cao và có hoạt tính ATPase. Một số đại diện đƣợc tìm thấy trong tế bào bình thƣờng, nhƣng phần lớn chúng đƣợc sinh ra khi gặp nhiệt độ cao. Chức năng chính của chúng là ngăn chạn sự co cụm của protein và tái hoạt hóa các protein biến tính.
LEA (Late embryogenesis abundant protein): Tế bào bị mất nƣớc là
hiện tƣợng phổ biến xảy ra khi cây trồng gặp các điều kiện ngoại cảnh bất lợi nhƣ: nóng, hạn, lạnh…Một trong những nhóm gen quan trọng liên quan đến các điều kiện mất nƣớc là các gen mã hóa nhóm protein có tên gọi LEA (Late embryogenesis abundant protein - protein tích lũy với số lƣợng lớn ở giai đoạn cuối của quá trình phát sinh phôi). LEA không những đóng vai trò điều
chỉnh quá trình mất nƣớc sinh lí khi hạt chín mà còn hạn chế sự mất nƣớc bắt buộc do các điều kiện ngoại cảnh bất lợi nhƣ: nóng, hạn, lạnh...
Mức độ phiên mã của LEA đƣợc điều khiển bởi ABA và độ mất nƣớc của tế bào, ASTT trong tế bào. Nhiều gen LEA đã đƣợc nghiên cứu, phân lập, xác định chức năng. Trong cấu trúc của LEA nổi lên những đặc điểm chính: giàu amino acid ƣa nƣớc, không chứa Cystein và Trytophan, có vùng xoắn α và có khả năng chịu nhiệt. Chúng thay thế vị trí nƣớc trong tế bào và thực hiện các chức năng khác nhƣ: cô lập ion, bảo vệ protein màng tế bào, phân hủy protein biến tính, điều chỉnh ASTT [8].