CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Phản ứng của thực vật trong điều kiện hạn hán 1. Tác động của hạn hán đến sinh trưởng và phát triển của thực vật Hạn hán là một nguyên nhân quan trọng làm giảm năng suất và chất lượng sản phẩm của cây trồng. Khi môi trường hạn hán, cây bị mất nước dẫn đến nhiều hậu quả nghiêm trọng: (i) Gây nên hiện tượng co nguyên sinh và làm cho cây bị héo.
Sự co nguyên sinh chất xảy ra khi tế bào bị stress nước làm cho nước trong tế bào bị thất thoát ra ngoài nên khối nguyên sinh chất của tế bào co lại, thể tích không bào bị thu hẹp. Khi cây sống trong môi trường thiếu nước kéo dài, tế bào mất nước dẫn đến các mô trở nên mềm yếu và sự héo xảy ra. Mô thực vật bị héo tạm thời nhưng cũng có thể vĩnh viễn nếu sự thiếu nước xảy ra nghiêm trọng và trong thời gian dài. (ii) Môi trường sống bị khô hạn cản trở sự vận chuyển nước trong mạch gỗ.
Trong điều kiện thiếu nước, sự cung cấp nước cho rễ không đủ trong đêm để thủy hóa các mô đã bị thiếu nước ban ngày, dẫn đến các lông hút bị tổn thương lớp ngoài, vùng vỏ bị phủ chất sáp (suberin) làm giảm áp suất rễ nên ảnh hưởng đến đẩy cột nước lên cao trong mạch gỗ. Đặc biệt khi thiếu nước sẽ hình thành nhiều bọt khí trong mạch gỗ dẫn đến phá vỡ tính liên tục của cột nước làm cho cột nước trong mạch gỗ không được đẩy lên liên tục. (iii) Hạn hán làm dày lớp cutin trên bề mặt lá làm giảm sự thoát hơi nước qua biểu bì. (iv) Sự thiếu nước làm giảm cường độ quang hợp.
Khi hàm lượng nước trong lá còn khoảng 40 -50%, quang hợp của lá bị đình trệ. (v) Đặc biệt, hạn hán cản trở sự sinh trưởng của cây trồng. Thiếu nước ảnh hưởng đến các hoạt động sinh lý, nhất là quang hợp nên làm giảm sinh trưởng và năng suất cây trồng nghiêm trọng (Abdullah et al. Việc giảm năng suất do hạn hán đã được báo cáo ở nhiều loại cây trồng, mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào thời gian xảy ra hạn.
Ở lúa mạch (Hordeum vulgare), hạn hán làm giảm năng suất do số lượng của chồi, cụm hoa, hạt trên mỗi cây và trọng lượng của mỗi hạt bị giảm. Ở ngô, stress hạn làm giảm năng suất do trì hoãn việc phun râu, do đó làm tăng thời gian chênh lệch trỗ cờ - phun râu. Đặc tính này liên quan chặt chẽ với năng suất hạt, cụ thể là số bắp và số hạt trên mỗi cây bị ảnh hưởng (Cattivelli et al. Thâm hụt 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nước trong suốt quá trình thụ phấn làm tăng tần số hạt không phát triển ở ngô.
Ở cây đậu triều (Cajanus cajan), hạn hán diễn ra trong giai đoạn nảy mầm làm sản lượng hạt bị giảm đi 40 – 55% (Nam et al. Trong giai đoạn sinh sản, thiếu hụt nước làm giảm sản lượng ở bông (Gossypium hirsutum) do việc giảm hình thành và sự phát triển không đầy đủ của các quả nang. Hạn hán ở đậu tương cũng làm giảm tổng sản lượng hạt (Frederick et al. Hạn hán ít có ảnh hưởng đến tỷ lệ hạt mẩy trên lúa mỳ nhưng thời gian hình thành hạt ngắn hơn và trọng lượng khô bị giảm khi trưởng thành (Wardlaw and Willenbrink, 2000).
Cơ chế chống chịu hạn ở thực vật Để chống lại khô hạn, thực vật có những biến đổi sinh lý, hóa sinh phù hợp. Có hai cơ chế bảo vệ thực vật tồn tại trong môi trường thiếu nước: cơ chế tránh mất nước và cơ chế chịu mất nước. Cơ chế tránh mất nước liên quan đến đặc điểm cấu trúc và hình thái của bộ rễ (Lê Trần Bình và Lê Thị Muội, 1998). Những cây chịu hạn có bộ rễ khỏe, dài, mập, có sức xuyên sâu sẽ hút được nước ở những nơi sâu, xa trong đất, hoặc lan rộng với số lượng lớn để tăng diện tích tìm kiếm nước (Nguyễn Lan Điền, 2003).
Cơ chế này phụ thuộc vào khả năng thích nghi đặc biệt về cấu trúc và hình thái của rễ, chồi nhằm giảm mất nước một cách tối đa (Lê Trần Bình và Lê Thị Muội, 1998) (Đinh Thị Phòng, 2001). Trong khi đó, cơ chế chịu mất nước liên quan đến những thay đổi hóa sinh diễn ra trong tế bào nhằm sinh tổng hợp các chất bảo vệ hoặc nhanh chóng bù lại sự thiếu hụt nước. Trong điều kiện khô hạn, áp suất thẩm thấu của dịch bào được điều chỉnh tăng lên, giúp cho tế bào thu nhận được những phân tử nước ít ỏi còn lại trong đất. Nhờ vậy, thực vật có thể vượt qua được tình trạng hạn cục bộ (Steponkus P.
Tự điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào còn thông qua tích lũy các chất hòa tan, các protein, các axit amin ví dụ như: axit amin prolin, mannitol, fructose, K+, các enzyme phân hủy gốc tự do… Sự điều chỉnh áp suất thẩm thấu có hai chức năng: Giữ và lấy nước vào trong tế bào và ngăn chặn sự xâm nhập của ion Na+; thay thế vị trí nước nơi xảy ra các phản ứng sinh hóa, tương tác với lipid hoặc protein trong màng, ngăn chặn sự phá hủy màng và các phức protein (Lê Trần Bình, Lê Thị Muội, 1998). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cơ chế phân tử của tính chống chịu hạn ở thực vật Việc nắm được các cơ chế phân tử của phản ứng chịu hạn ở thực vật là vô cùng quan trọng đối với việc cải thiện khả năng chịu hạn của cây trồng. Các nghiên cứu gần đây đã phân lập được hàng trăm gen được cảm ứng hoặc ức chế khi cây gặp điều kiện khô hạn.
Tuy nhiên, chỉ một phần rất nhỏ các gen được kiểm chứng về vai trò của nó trong việc tăng tính chịu hạn của cây. Những gen này có thể phân vào các nhóm dựa vào chức năng nội bào như: các gen mã hoá protein chức năng, các gen mã hoá yếu tố truyền tín hiệu và các gen mã hoá yếu tố điều khiển phiên mã… 1. Các gen mã hoá protein chức năng Các gen liên quan đến chức năng bảo vệ trực tiếp lên màng tế bào và protein như LEA protein, heat shock protein (HSP), cold shock protein (CSP). LEA là một nhóm các protein tự nhiên tích tụ trong hạt phấn hoa, hạt và các mô thực vật trong quá trình đáp ứng lại các stress phi sinh học.
Việc tích luỹ các protein LEA liên quan trực tiếp với khả năng chịu khô hạn ở thực vật (Amara et al. Bên cạnh dữ liệu phong phú về cấu trúc và sự biểu hiện của protein này, ngày càng có nhiều các công trình đề cập đến việc sử dụng các gen LEA nhằm cải thiện tính chống chịu khô hạn ở thực vật (Grelet et al. Ví dụ, gen HVA1 mã hoá nhóm protein LEA3 của cây lúa mạch (Hordeum vulgare L. Người ta đã chuyển nạp gen này thành công vào cây ngô để tăng cường khả năng chịu hạn và mặn trong điều kiện nhà lưới (Nguyen et al.
Gen OsLEA3-1 nhạy cảm với mặn đã thể hiện tính chống chịu khô hạn trong điều kiện đồng ruộng nhờ sự điều khiển của promoter CaMV35S và promoter HVA1-like (Xiao et al. Các protein sốc nhiệt (HSP) và sốc lạnh (CSP) là các chaperone ngăn ngừa sự biến đổi và gấp nếp của các thành phần tế bào trong điều kiện stress. Các gen CspA và CspB từ vi khuẩn đã được chuyển vào ngô để tăng cường khả năng chịu hạn, nóng, và lạnh bằng cách bảo vệ quá trình quang hợp, sinh dưỡng và các giai đoạn sinh trưởng, sinh sản. Năng suất tăng lên khoảng 11 – 12% đối với cây ngô chuyển gen CspA và CspB thông qua việc đánh giá các thử nghiệm về năng suất trong nhiều năm, ở nhiều địa điểm (Yang et al.4 và sHSP26 là 3 protein sốc nhiệt nhỏ đã được xác định bằng 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cách sử dụng quang khối phổ MALDI-TOF ở lá ngô khi đáp ứng với stress hạn.
Các phân tích hệ phiên mã cho thấy mức biểu hiện của các sHSP này được điều chỉnh tăng lên khi đáp ứng với stress nhiệt và hạn ở lá ngô. ABA chịu trách nhiệm điều hoà biểu hiện sau phiên mã các sHSP này (Hu et al. Protein Cyclophilin (CYP) liên quan đến nhiều chức năng như phân chia tế bào, truyền tín hiệu tế bào, vận chuyển protein, điều hoà phiên mã, cắt nối tiền mRNA và khả năng chịu stress (Trivedi et al. Các phân tích silico cho thấy rằng việc đáp ứng stress của thực vật có liên quan với các protein cyclophilin.
Các protein CYP ở lúa, ngô, Arabidopsis, lúa mạch và brachypodium giống nhau đến trên 80% cho thấy tần số cao các trình tự bảo thủ. CYP thường gặp ở lục lạp, cytosol, và ty thể (Trivedi et al. Đánh giá so sánh chỉ ra rằng mRNA chịu trách nhiệm tổng hợp CYP được phát hiện với tần số cao ở ngô sau 6 – 7 giờ xử lý stress hạn, ở đậu mất khoảng 48 giờ. Các gen mã hoá protein truyền tín hiện Nhiều hệ thống truyền tín hiệu có chức năng trong đáp ứng với điều kiện bất lợi phi sinh học, bao gồm kinase, enzyme chuyển hoá phospholipid, calcium sensing… Mặc dù các quá trình truyền tín hiệu này khá phức tạp và chưa được hiểu rõ, một vài gen mã hoá cho các yếu tố truyền tín hiệu có chức năng trong đáp ứng chịu hạn đã được phân lập.
Một vào yếu tố gần đây đã được sử dụng trong tạo tính chịu hạn ở cây chuyển gen như: NPK (Kovtun et al, 2000), SnRK2 (Umezawa et al., 2004), CBL (Cheong et al. Cũng giống như các yếu tố điều khiển phiên mã, việc biến đổi một yếu tố truyền tín hiệu có thẻ làm thay đổi một loạt các sự kiện sau đó, kết quả là tạo khả năng chống chịu ở nhiều mặt. Ví dụ, NPK1 là một kinase của Nicotinana. NPK1 nằm ở giai đoạn đầu của con đường truyền tín hiệu oxi hoá và dẫn đến khả năng chịu hạn, lạnh, nóng và muối ở cây ngô chuyển gen (Shou et al.
PIS (Phosphatidylinositol synthase) là một enzyme quan trọng trong con đường tổng hợp phosphatidylinositol không những là một thành phần cấu trúc màng tế bào mà còn là tiền chất của phần tử tín hiệu điều hoà đáp ứng của cây trước điều kiện bất lợi. Khi biểu hiện quá mức gen ZmPIS trong cây ngô, cây tăng cường khả năng chịu hạn đặc biệt là giai đoạn trước khi nở hoa (Liu et al. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Các gen mã hoá yếu tố điều khiển phiên mã Yếu tố điều kiển phiên mã (TF) là các protein có vai trò kiểm soát quá trình phiên mã bằng cách bám vào các vùng trình tự đặc hiệu trên promoter của gen.