Mở đầu + Chƣơng 2: Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu + Chƣơng 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận - Các tài liệu đƣợc tham khảo bao gồm 113 tài liệu. Trong đó có 51 tài liệu tiếng Anh và 62 tài liệu tiếng Việt. - 16 bảng biểu đƣợc đánh số theo thứ tự; - 26 hình ảnh đƣợc đánh số theo thứ tự. -6- Chƣơng 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Đất nhiễm mặn và cơ chế chịu mặn của thực vật 1. K á n ệm về đất n ễm mặn Trong Hải dƣơng học, ngƣời ta sử dụng độ muối để đặc trƣng cho độ khoáng của nƣớc biển, nó đƣợc hiểu nhƣ tổng lƣợng tính bằng gam của tất cả các chất khoáng rắn hoà tan có trong 1 kg nƣớc biển. Vì tổng nồng độ các ion chính (11 ion) chiếm tới 99,99 % tổng lƣợng các chất khoáng hoà tan nên có thể coi độ muối nƣớc biển chính bằng giá trị này. Điều đó cũng có nghĩa là đối với nƣớc biển khơi, độ muối có thể đƣợc tính toán thông qua nồng độ của một ion chính bất kỳ (Đoàn Bộ, 2003) [4].
Đất nhiễm mặn là loại đất có chứa nhiều cation Na+ hấp thụ trên bề mặt Keo đất và trong dung dịch đất. Đất nhiễm mặn chứa nhiều muối tan dƣới dạng NaCl, Na2SO4. Trong bảng phân loại về đất mặn của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, đất đƣợc chia thành đất không mặn, mặn ít, mặn trung bình, mặn nhiều và đất muối. Đất không mặn chứa lƣợng muối hoà tan ít hơn 0,15 %, mặn ít từ 0,15- 0,35 %, mặn trung bình từ 0,35 – 0,65 %, mặn nhiều từ 0,65 – 1,00 % và đất muối có chứa lƣợng muối hòa tan lớn hơn 1,0 %.
Nếu coi toàn bộ muối trong đất mặn là NaCl để biểu diễn độ mặn thông qua nồng độ NaCl nhƣ đối với độ mặn của nƣớc biển, sự phân chia về độ mặn của đất có thể biểu thị bằng nồng độ mol/l của NaCl nhƣ sau: Đất muối chứa lƣợng muối hòa tan lớn hơn 170 mM/l là đất muối, mặn nhiều từ 110 – 170 mM/l, mặn trung bình từ 60 – 110 mM/l, mặn ít từ 25 – 60 mM/l và đất không mặn chứa lƣợng muối hòa tan ít hơn 25 mM/l (Jan Kotuby – Amacher et al. Cơ c ế c ịu mặn của t ực vật Điều kiện bất lợi từ môi trƣờng sống - stress (điều kiện bất lợi phi sinh học: mặn, hạn, lạnh, nhiệt độ cao,… ) dẫn đến hàng loạt các thay đổi về hình -7- thái, tính chất vật lý, hóa sinh và phân tử. Điều đó ảnh hƣởng xấu đến sinh trƣởng và phát triển của thực vật. Để đảm bảo tính toàn vẹn và sống còn của chúng, nhiều loài thực vật có các chiến lƣợc đối phó với những bất lợi phi sinh học khác nhau.
Những yếu tố cực đoan khác nhau (mặn, hạn, lạnh, nóng,…) đều gây ra hiện tƣợng mất nƣớc trong tế bào. Sự phản ứng của cơ thể sống phụ thuộc vào từng loài, kiểu gen, thời gian tác động và tính khốc liệt của yếu tố cực đoan, độ tuổi và giai đoạn phát triển, dạng đặc thù của các cơ quan hoặc tế bào và phần ngoại vi của chúng. Khi gặp các tác động bất lợi của môi trƣờng, thực vật sẽ tạo ra một số chất kích thích, protein giải độc,. hoặc hoormon giúp chúng có khả năng thích ứng (Trần Thị Phƣơng Liên, 2010) [29].
Hiện nay, các nghiên cứu về cơ chế chống chịu các điều kiện bất lợi từ môi trƣờng (mặn, hạn, lạnh, nóng,.) ở thực vật đang đƣợc tập trung vào hƣớng nghiên cứu làm tăng cƣờng các chất giúp bảo vệ áp suất thẩm thấu của tế bào khỏi sự mất cân bằng nƣớc gây chết. Sự tăng cƣờng các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu đƣợc phát hiện trong nhiều trƣờng hợp môi trƣờng bất lợi nhƣ hạn hán, muối mặn và lạnh giá. Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu là một đặc tính rất quan trọng của tế bào khi bị mất nƣớc do những yếu tố trên. Những thực vật sống trong môi trƣờng thiếu nƣớc bị mất cân bằng về áp suất thẩm thấu trong tế bào đòi hỏi phải có khả năng chống chịu lại điều kiện khắc nghiệt đó.
Một trong những phƣơng thức của thực vật chống lại sự mất cân bằng áp suất thẩm thấu đó là dựa trên sự thay đổi trong chuyển hóa tế bào chất dẫn đến sự xuất hiện và tích lũy các chất hòa tan, protein, hoặc các amino acid đặc hiệu. Hiện tƣợng này xảy ra rất nhanh khi bị mất nƣớc. Sự tích lũy các chất này không làm ảnh hƣởng đến hoạt động bình thƣờng của các enzyme nội bào. Ngƣợc lại, sự tích lũy lƣợng lớn các chất hòa tan trong tế bào sẽ điều chỉnh áp suất thẩm thấu bằng tác động tổng thể mà chúng có khả năng giữ và -8- lấy nƣớc vào tế bào.
Ngoài ra, chúng có thể thay thế vị trí nƣớc nơi xảy ra các phản ứng hóa sinh, tƣơng tác với lipid hoặc protein trong màng, ngăn chặn sự phá hủy màng tế bào và các phức hệ protein. Về mặt hóa học, chúng thƣờng là những phân tử trung hòa về điện, có kích thƣớc rất nhỏ, đóng vai trò quan trọng giúp các phân tử protein và màng tế bào chống lại sự biến tính dƣới tác động của các điều kiện bất lợi phi sinh học (abiotic stress) (Trần Thị Phƣơng Liên, 2010) [29]. Chất bảo vệ áp suất thẩm thấu hay các chất hòa tan tƣơng thích thuộc các nhóm chất sau đây: (1). Proline và ectoine (amino acid).
Polyols và trehalose (là một hợp chất polyme không phải đƣờng). Các loại đƣờng tan: glucose, sucrose, fructan, manitol, pinitol. Glycine betaine, proline và các nhóm đƣờng thực hiện chức năng nhƣ các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu và bảo vệ tế bào khỏi bị mất nƣớc. Quá trình này liên quan đến một số enzyme chức năng đã đƣợc phân lập và phân tích về mặt sinh hóa nhƣ: các enzyme sinh tổng hợp và chuyển hóa proline, các enzyme giải độc, các enzyme chủ chốt tổng hợp các chất điều hòa áp suất thẩm thấu và các loại protease khác.
Protein vận chuyển nƣớc qua màng, chất vận chuyển các đƣờng đơn, proline và glycine betaine đƣợc xem nhƣ có chức năng chuyển nƣớc, proline, glycine betaine, các chất đƣờng đơn qua màng nguyên sinh chất và màng không bào để điều chỉnh áp suất thẩm thấu khi gặp điều kiện cực đoan. Những enzyme giải độc nhƣ glutathione S-transferase, superoxide dismutase, catalase,… tham gia vào quá trình bảo vệ tế bào khỏi bị oxy hóa. Khi môi trƣờng sống có nồng độ các ion Na+, Cl-, sulfate, borate, lithium,. cao sẽ gây độc cho tế bào thực vật.
Một trong những hƣớng thay đổi trong thực vật để thích nghi với điều kiện sống là chuyển đổi hệ quang -9- hợp từ hệ C3 sang hệ quang hợp CAM ở loài esembryanthemum crytallium hoặc phát triển tuyến muối ở loài Limonium sp hoặc phát triển tế bào mô biểu bì chứa không bào dự trữ muối ở loài M. Những thay đổi này đã dẫn đến tăng cƣờng lƣợng nƣớc sử dụng có hiệu quả khi phát triển theo cách quang hợp C4. Ở cây Lúa nƣớc, khi môi trƣờng có độ mặn cao, cây sẽ điều chỉnh để thích ứng bằng cách làm giảm diện tích lá. Muối tích tụ ở các lá già, lá già cuộn lại, héo và chết dần mang theo lƣợng muối nhất định.
Những cây Lúa chịu mặn chỉ còn lại những lá non có hàm lƣợng muối ít hơn (Trần Thị Phƣơng Liên, 2010) [29]. Môi trƣờng sống có độ mặn cao sẽ làm ức chế sự hấp thụ nƣớc vào trong nội bào, thay đổi khả năng đóng mở của khí khổng và làm thay đổi khả năng hấp thụ CO2 vào tế bào lá cây,. gây tổn thƣơng mô tế bào thực vật. Những thay đổi trong trao đổi chất thƣờng dẫn đến sự gia tăng một số chất liên quan đến điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào nhƣ glycine betain, proline, ectoine hoặc pylol,.Tuy nhiên, thông thƣờng sự điều chỉnh này chỉ đòi hỏi tăng cƣờng của một trong những enzyme trong con đƣờng tổng hợp hoặc chuyển hóa các chất đó.
Trong các vùng bị nhiễm mặn kéo dài (ven biển), những cây có khả năng chịu mặn thích nghi với môi trƣờng sống đều có những thay đổi sâu sắc trong trao đổi chất cũng nhƣ có các cơ chế chống chịu thích hợp. Các biến đổi đó thƣờng đi theo các hƣớng sau: (1) Loại bỏ các dạng oxy hoạt hóa – ROS (reactive oxygen species) sinh ra trong điều kiện mặn. (2) Tăng cƣờng các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu. (3) Kiểm soát sự hấp thụ ion Na+, K+, Ca2+ và hấp thụ nƣớc.
(4) Sinh tổng hợp một số protein có khả năng chống chịu mặn. Loại bỏ các dạng oxy hoạt hóa – ROS sinh ra trong điều kiện mặn - 10 - Trong môi trƣờng sống bị nhiễm mặn, tế bào thực vật bị mất nƣớc và tạo ra nhiều dạng oxy hoạt hóa – ROS trong tế bào nhƣ Ozon (O3), superoxide anion (O2*-), hydrogen peroxide (H2O2), gốc pehydroxyl tự do (O2H*),. Khi nồng độ ROS cao làm giảm tốc độ quang hợp, gây tổn thƣơng cho lá, hạn chế tốc độ sinh trƣởng của mầm và rễ, đẩy nhanh sự già cỗi dẫn đến giảm năng suất cây trồng. ROS gây tổn thƣơng cho các đại phân tử nhƣ lipid và protein trên màng tế bào, tạo ra các gốc tự do, làm tổn thƣơng màng tế bào chất dẫn đến làm thay đổi sự lƣu chuyển các ion, ức chế hoạt tính bơm H+, tăng độ thấm của màng, suy giảm khả năng kiểm soát của màng và tăng lƣợng ion Ca2+ vào tế bào.
Cụ thể: ROS làm biến đổi những điểm đặc biệt nhạy cảm, các vị trí amino acid quyết định của hoạt tích protein, làm ngắt đoạn chuỗi peptide, thay đổi điện tích. Các protein mất đi chức năng sinh học và cuối cùng chúng bị các protease nhận biết và phân hủy. Ngoài ra, ROS còn tác động gây tổn thƣơng phân tử DNA. ROS làm đội biến DNA nhƣ mất đoạn hoặc những hiệu ứng di truyền bất lợi khác.
ROS có thể tác động lên các gốc glycosyl hoặc gốc base ở những vị trí mẫn cảm trên phân tử DNA. ROS tác động lên lục lạp và hệ quang hợp bằng cách làm giảm cƣờng độ phiên mã và dịch mã của RUBISCO. Khi nồng độ ozon cao, tế bào thực vật sẽ đóng khí khổng để ozon không xâm nhập thêm vào mô lá, đồng thời hoạt hóa các hệ thống chống oxy hóa. Chúng hoạt hóa tổng hợp ethylene và tích lũy salicylic acid, các chất này có vai trò hoạt hóa hệ thống bảo vệ của tế bào.
Hệ thống bảo vệ tế bào nhằm loại bỏ ROS đƣợc thực hiện nhờ các chất chống oxy hóa tồn tại trong các bào quan. Các chất này gồm các enzyme (catalase, superoxide dismutase, ascorbate peroxidase, omodehydroascorbate reductase, glutathione reductase,.