3. Nội dung của đề tài
1.2.4.Cơ sở sinh lý, hóa sinh và di truyền của tính chịu hạn của cây ngô
1.2.4.1. Cơ sở sinh lý của tính chịu hạn của cây ngô
Bộ rễ là một trong những bộ phận quan trọng của cây thực hiện nhiệm vụ lấy nƣớc cung cấp cho các hoạt động sống và phát triển của cơ thể thực vật. Nhiều nghiên cứu cho thấy cây ngô sống trong môi trƣờng thiếu nƣớc có bộ rễ dài, khỏe, mập, có sức đâm sâu hơn để hút đƣợc nƣớc ở những tầng đất sâu. Rễ ngô có khả năng đâm sâu gần 2 m và lan rộng trên 2 m. Rễ ngô có khả năng phân nhánh rất mạnh với sự phát triển đặc biêt của lông hút (ƣớc tính trên 1mm2 bề mặt rễ ngô có trên 400 lông hút). Vì vậy, cả bộ rễ ngô có tổng số bề dài và bề mặt tiếp xúc với đất rất rộng để hút đƣợc nhiều nƣớc hơn khi gặp hạn [15].
Ngoài việc sử dụng bộ rễ để cung cấp nƣớc cho cơ thể cây ngô còn có cơ chế điều chỉnh áp suất thẩm thấu: Đó là một đặc tính của tế bào khi tế bào bị mất nƣớc do hạn, nóng, lạnh… Khi tế bào bị mất nƣớc dần dần, các chất hòa tan sẽ đƣợc tích lũy trong tế bào chất nhƣ: đƣờng, acid hữu cơ, amino acid, các ion…, các chất này có tác dụng điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Áp suất thẩm thấu tăng lên giúp cho tế bào rễ thu nhận đƣợc những phân tử nƣớc ít ỏi còn trong đất. Bằng cơ chế nhƣ vậy thực vật có thể chịu đƣợc sự mất nƣớc trong thời gian ngắn [19].
1.2.4.2. Cơ sở hóa sinh của tính chịu hạn của cây ngô
Một số cơ sở hóa sinh của tính chịu hạn bao gồm: hoạt độ enzyme - amylase, protease, acid abscisic (ABA), proline…
Enzyme - amylase thuộc nhóm hydrolase có trong cơ thể động vật (nƣớc bọt, tụy tạng), thực vật (hạt hòa thảo nảy mầm), nấm mốc, vi khuẩn. Ở thực vật, sự tăng hoạt độ của - amylase sẽ làm tăng hàm lƣợng đƣờng do tinh bột bị thủy phân, nên làm ảnh hƣởng tới sự điều hòa áp suất thẩm thấu khi cây gặp hạn. Vì thế, dựa vào sự biến động hàm lƣợng - amylase cũng có thể sơ bộ đánh giá khả năng chịu hạn của các giống ngô nghiên cứu.
Protease đóng vai trò rất quan trọng trong cơ thể thực vật, nhất là trong thời kỳ nảy mầm của hạt. Nó tham gia vào quá trình phân giải protein dự trữ trong hạt nhằm cung cấp amino acid cho thời kỳ phát triển đầu tiên của cây. Protease cũng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tham gia vào phân giải các protein lạ hoặc protein bị biến tính khi gặp điều kiện cực đoan (hạn, lạnh, nóng…) [7].
Có nhiều giả thuyết khác nhau về vai trò của axit abscisic. Theo Pekic và Zaric thì acid abscisic có tác dụng làm cho quá trình trỗ cờ và phun râu diễn ra đồng thời [36].
Acid abscisic (ABA) là hormone thực vật liên quan đến sự điều chỉnh sinh lý, sinh trƣởng và phát triển, đáp ứng với môi trƣờng của thực vật bậc cao. ABA đóng vai trò quan trọng trong nhiều quá trình của tế bào thực vật nhƣ: sự phát triển của hạt, sự ngủ, sự nảy mầm, sinh trƣởng phát triển, đáp ứng với stress của môi trƣờng. ABA chủ yếu đƣợc tổng hợp ở rễ cây do phản ứng với stress của môi trƣờng. Khi cây gặp hạn, ABA có vai trò điều chỉnh sự trao đổi nƣớc trong cây hạn chế sự mất nƣớc và làm cây thích nghi đƣợc với điều kiện khô hạn. Về cơ chế ngƣời ta cho rằng ABA làm biến đổi điện hóa qua màng và do đó điều tiết ion K+ [7].
Acid abscisic (ABA) cũng có vai trò quan trọng đối với khả năng chịu hạn ở thực vật cũng nhƣ ở ngô. Axit này có liên quan đến quá trình điều hoà đóng mở lỗ khí khổng và thoát hơi. Trong điều kiện khô hạn và có ABA thì sự mở lỗ khí và sự thoát hơi nƣớc ở các giống ngô giảm lần lƣợt 10% và 45%. Điều này, cho thấy rằng acid abscisic có vai trò chủ yếu trong việc điều khiển sự đóng mở khí khổng để duy trì cân bằng nƣớc của cây bị hạn [23].
Proline là một amino acid có tác dụng bảo vệ các cấu trúc nội bào và các đại phân tử khi tế bào gặp các điều kiện bất lợi về áp suất thẩm thấu trong tế bào.Đồng thời Proline 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 màng, ngăn chặn sự phá hủy của màng và các phức protein khác. Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy khi cây trồng gặp hạn thì cây giảm tổng hợp protein và tăng tổng hợp proline [7].
1.2.4.3. Cơ sở di truyền của tính chịu hạn của cây ngô
Tính chịu hạn ở cây trồng nói chung và cây ngô nói riêng do nhiều gen quy định. Các gen liên quan đến tính chịu hạn nhƣ: LEA, HSP, LTP, P5CS, NAC…
Cây trồng khi gặp các điều kiện ngoại cảnh bất lợi nhƣ: nóng, lạnh, phèn, mặn, hạn,…làm cho tế bào bị mất nƣớc. LEA là loại protein đƣợc tổng hợp với số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
lƣợng lớn trong giai đoạn cuối của quá trình hình thành phôi. Protein này có khối lƣợng phân tử thấp, khoảng 10 - 30kDa, nó là một trong những nhóm protein quan trọng liên quan đến điều kiện mất nƣớc của tế bào. Nó có vai trò hết sức quan trọng quyết định đến khả năng chống chịu với các điều kiện cực đoan của môi trƣờng, đặc biệt là hạn ở thực vật bậc cao. Nhóm gen mã hóa loại protein LEA còn đóng vai trò quan trọng trong sự chịu khô của hạt. Khi hiện tƣợng mất nƣớc xảy ra, RNA của chúng xuất hiện trong hạt đang hình thành và dần trở thành một lƣợng lớn gồm nhiều loại RNA thông tin khác nhau trong hạt chín và bị phân giải hết trong quá trình nảy mầm. Ngoài ra, LEA không những điều chỉnh quá trình mất nƣớc khi hạt chín, mà còn hạn chế sự mất nƣớc bắt buộc do các điều kiện ngoại cảnh bất lợi gây ra. Mức độ phiên mã của gen LEA đƣợc điều khiển bởi ABA và mức độ mất nƣớc của tế bào, áp suất thẩm thấu trong tế bào. Nhiều gen LEA đã đƣợc nghiên cứu, phân lập, xác định chức năng. Một đặc điểm nổi bật của nhóm protein này là: giàu acid amin không ƣa nƣớc, không chứa cystein và tryptophan, có vùng xoắn và có khả năng chịu nhiệt. Chúng thay thế vị trí nƣớc trong tế bào và thực hiện các chức năng nhƣ: cô lập ion, bảo vệ protein màng tế bào, hủy protein biến tính và điều chỉnh áp suất thẩm thấu [11], [47].
Ở ngô, gen LEA đã đƣợc Gardiner cùng cộng sự nghiên cứu phân lập từ mARN năm 2013. Với mã số trên ngân hàng gen Quốc tế là: NM_001111828, có kích thƣớc: 1094bp [48].
HSP có ở hầu hết các loài thực vật và chiếm khoảng 1% protein tổng số của lá. HSP xuất hiện trong cả các quá trình sinh trƣởng bình thƣờng và các giai đoạn biệt hóa mô của thực vật, chúng đƣợc tổng hợp thêm trong điều kiện cực đoan của môi trƣờng. Chức năng chính của chúng là ngăn chặn sự co cụm của protein và tái hoạt hoá protein biến tính [43]. Các HSP gắn kết trên các RNA polymerase để ngăn cản sự phiên mã tổng hợp mRNA trong quá trình bị stress nóng. Sau sốc nóng, các hạt này phân tán và liên kết dày đặc với các ribosome hoạt động sinh tổng hợp protein [38].
Tác giả Soderlund, cùng cộng sự đã nghiên cứu phân lập gen (HSP 90-2) từ mRNA ở ngô với kích thƣớc 2467bp và đã đƣợc đăng ký trên ngân hàng gen Quốc tế năm 2013 với mã số: NM_001177009 [41].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
LTP (Lipid Transfer Protein) là protein có liên quan tới đặc tính chịu khô hạn ở thực vật. LTP có khả năng tạo phức với một số acid béo và xúc tác cho quá trình vận chuyển lipid qua màng tế bào, giúp hạn chế sự mất nƣớc. Bên cạnh đó, LTP còn liên quan đến quá trình hình thành tầng cutin của tế bào thực vật, làm tăng khả năng chống chịu và hạn chế tác hại của stress môi trƣờng (muối, hạn). Có thể nói LTP đóng vai trò quan trọng trong sự thích nghi của thực vật trong điều kiện khô hạn.
Protein LTP đã đƣợc phân lập ở ngô năm 2013 với kích thƣớc: 788bp từ mRNA do tác giả Schnable, Ware, cùng cộng sự đã nghiên cứu phân lập và đăng ký trên ngân hàng gen Quốc tế với mã số: NM_001156421 [22].
Gen P5CS mã hóa tổng hợp pyrroline-5-carboxylate synthetase. Enzyme P5SC giữ vai trò trung tâm trong quá trình điều hòa sinh tổng hợp proline ở thực vật. Các nghiên cứu sử dụng enzyme này nhằm mục đích điều khiển hàm lƣợng proline để thích ứng và tăng cƣờng khả năng chống chịu của cây đối với các bất lợi về áp suất thẩm thấu và oxy hóa của môi trƣờng đã đƣợc thực hiện ở nhiều loài cây khác nhau. Nhƣ vậy, sự biểu hiện của gen P5CS mạnh sẽ làm tăng hàm lƣợng proline, có vai trò tăng áp suất thẩm thấu của tế bào và cây trong điều kiện hạn hán.
Vào năm 2006, ở ngô gen P5CS đã đƣợc các tác giả Zhang, and Li, phân lập từ mRNA với kích thƣớc: 300bp và đã đƣợc đăng ký trên ngân hàng gen Quốc tế với mã số: FJ384628[49].