Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Đặc tính chống chịu của thực vật 1. Tác động của các nhân tố phi sinh học đến thực vật Trong những thập kỷ gần đây, stress phi sinh học đã trở thành mối quan tâm chính trong sản xuất nông nghiệp.
Sự tăng trưởng và phát triển của thực vật trong các điều kiện stress có thể ảnh hưởng đến vụ mùa. Thực vật có đặc điểm trạng thái sống đặc thù – bám trụ vào đất tại một chỗ, không di chuyển trong suốt quá trình phát triển cá thể. Vì vậy, chúng thường xuyên đối mặt với điều kiện ngoại cảnh ngày càng nhiều tác động bất lợi lên quá trình sinh trưởng phát triển, gây ra những biến đổi và đặc biệt ảnh hưởng đến năng suất cây trồng [2]. Ngày nay, do có sự biến đổi khí hậu toàn cầu nên môi trường ngày càng bị tác động nặng nề hơn.
Các tác nhân gây stress sẽ tạo nên những khả năng thích ứng đặc trưng của thực vật. Do đó, việc tìm hiểu cơ chế tác động của các tác nhân gây stress cũng như những phản ứng thích nghi của cây trồng có vai trò quan trọng trong trồng trọt. Một số tác nhân gây stress có thể tác động riêng rẽ nhưng cũng có nhiều stress có thể phối hợp với nhau tác động lên cơ thể thực vật. Ví dụ stress thiếu nước thường liên kết với stress nhiễm mặn ở vùng rễ và stress nhiệt độ cao ở lá.
Một số yếu tố môi trường từ tác nhân bình thường chuyển sang tác nhân stress chỉ trong vài phút (ví dụ nhiệt độ), có những yếu tố môi trường phải mất nhiều ngày hay nhiều tháng mới trở nên tác nhân stress (nước trong đất, chất khoáng. Đối với cây trồng, nhiệt độ tối ưu để phát triển bình thường là 23 - 28°C. Nếu nhiệt độ trên 30°C thậm chí đến 35°C sẽ ảnh hưởng lớn đến cây. Trường Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn hợp tương tự xảy ra nếu nhiệt độ xuống dưới 15°C, năng suất cây trồng sẽ giảm đáng kể.
Một yếu tố khác đóng vai trò vô cùng quan trọng, đó là nước. Nước là nguyên liệu khởi đầu, sản phẩm trung gian và cũng là sản phẩm cuối cùng trong mọi quá trình trao đổi chất của tế bào. Mọi quá trình phản ứng trong cơ thể đều được thực hiện trong môi trường nước. Do đó, thiếu hay thừa nước đều ảnh hưởng xấu đến cây trồng.
Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã thống kê được thiệt hại hàng năm do hạn hán gây ra là rất lớn, có thể làm mất mùa, giảm đến trên 60% sản lượng [2]. Cơ chế phân tử của đặc tính chống chịu các yếu tố bất lợi của thực vật Stress hạn, mặn và sốc nhiệt tác động xấu đến sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của nhóm cây trồng cạn. Trong các điều kiện stress, thực vật vẫn có những cơ chế để thích nghi đối với sự thay đổi cường độ khác nhau của stress, tuy nhiên những cơ chế này vẫn chưa đủ để giúp thực vật chống chịu. Thực vật có nhiều cơ chế phản ứng khác nhau với các stress thông qua các con đường truyền tin và phản ứng tế bào, từ việc thay đổi biểu hiện gen, trao đổi chất trong tế bào cho đến những thay đổi lớn liên quan đến mức độ sinh trưởng và năng suất cây trồng.
Khi gặp các yếu tố bất lợi từ ngoại cảnh, những biến đổi trong quá trình phát triển và trao đổi chất sẽ làm thay đổi sự biểu hiện của gen. Điều này bắt đầu từ việc nhận biết tín hiệu ở mức độ tế bào, lan truyền tín hiệu trong tế bào, sau đó lan truyền khắp cơ thể. Để chống chịu với stress, các phản ứng sinh hóa được kích hoạt trong cây trồng để tích lũy nhiều các loại chất dễ hòa tan như: đường, amino acid, glycine betaine và polyamine để giúp các cây trồng đối phó với stress [15] và giúp cây phục hồi sau một thời gian nhất định chịu tác động từ điều kiện môi trường [14]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Sự biểu hiện của các gen cảm ứng với stress có liên quan chặt chẽ với quá trình phiên mã.
Vì vậy, sự biểu hiện của các gen này chịu ảnh hưởng của cả môi trường trong và ngoài cơ thể, với nhiều mức độ điều hòa. Các nhân tố phiên mã (Transcription factors - TFs) đóng vai trò điều khiển những thay đổi trong biểu hiện gen và phản ứng với các stress từ môi trường ngoại cảnh. Hiện nay, các protein DREB là nhóm TF được nghiên cứu thành công nhất, bởi nó kích hoạt sự biểu hiện của nhiều gen mục tiêu chịu trách nhiệm kiểm soát các yếu tố liên quan trong điều kiện phi sinh học [40]. Họ nhân tố phiên mã AP2 Họ AP2 là một nhóm lớn các nhân tố phiên mã ở thực vật, bao gồm bốn phân họ lớn: AP2, RAV, ERF và DREB [32].
Phân họ protein DREB đặc trưng bởi miền bảo thủ AP2 chứa các vị trí liên kết với mạch DNA ở vùng promoter. Nhiều gen trong phân họ DREB đã được phân lập từ các loài thực vật, như cây Arabidopsis, lúa (Oryza sativa L.), ngô (Zea mays L. Tuy nhiên các công bố về chức năng của một số gen DREB chủ yếu ở cây Arabidopsis. Gen mã hóa nhân tố phiên mã chứa miền AP2 liên quan đến nhiều quá trình sinh học của thực vật bao gồm sự tăng trưởng, truyền tín hiệu, phản ứng với mầm bệnh và ứng phó với các stress phi sinh học như hạn hán, muối,.
Miền AP2 có khoảng 58 hoặc 59 amino acid, trong đó có một số amino acid liên kết với nhân tố đáp ứng sự mất nước (DRE) hoặc hộp GCC [25], [35]. Cây đậu tương Đậu tương có tên khoa học là Glycine max (L.) Merrill thuộc họ Đậu (Fabaceae), họ phụ cánh bướm (Papilinoideae), có bộ NST 2n = 40. Đậu tương là một loại cây trồng cận nhiệt đới có nguồn gốc từ Đông Nam Á. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Đậu tương là loại lương thực chính ở các nước châu Á đã từ lâu và đã được sử dụng làm loài thực vật mẫu cho các nghiên cứu về sinh lý thực vật, hóa sinh và sinh học phân tử.
Các phân tích sinh hóa cho thấy hạt đậu tương chứa từ 38 - 40% protein, 12-25% lipid, các muối khoáng, các vitamin A, B1, B2,. và nhiều axit amin thiết yếu (cystein, tryptophan, methionine, lysine,. Bên cạnh giá trị về kinh tế và dinh dưỡng cao, cây đậu tương còn giữ vai trò quan trọng trong việc cải thiện đồ phì và sử dụng bền vững tài nguyên đất canh tác [32]. Đậu tương thuộc loại cây Hai lá mầm, thân thảo, là cây trồng cạn thu hạt, bao gồm các bộ phận: Rễ, thân, lá, hoa, quả và hạt.
Rễ đậu tương là rễ cọc, gồm rễ cái và các rễ bên, trên rễ có nhiều nốt sần chứa vi khuẩn Rhizobium japonicum có khả năng cố định đạm từ nito của không khí [1]. Nhiều nghiên cứu cho thấy, những giống đậu tương có khả năng cộng sinh và có đủ nốt sần thường làm cho hàm lượng protein cao, cho nên trồng cây đậu tương có tác dụng cải tạo đất. Trên thân có nhiều lông nhỏ, ít phân cành, có từ 8 - 14 đốt, các cành và lá mọc ra từ các đốt trên thân. Đậu tương có 3 loại lá chính: Lá mầm, cặp lá đơn, lá kép có 3 lá chét, đôi khi 4 - 5 lá chét.
Đậu tương thuộc loại cây tự thụ phấn, hoa lưỡng tính, mọc thành chùm, mỗi chùm thường có 3 - 5 hoa có màu tím, tím nhạt hoặc trắng. Quả đậu tương thuộc loại quả ráp, có nhiều lông bao phủ, khi chín vỏ quả có màu vàng hoặc xám đen. Hạt có dạng hình tròn, bầu dục, tròn dài, tròn dẹt. không có nội nhũ mà chỉ có một lớp vỏ bao quanh một phôi lớn.
Vỏ hạt thường nhẵn và có màu vàng nhạt, vàng đậm, xanh, nâu, đen. đa số là hạt màu vàng. Đặc biệt, màu sắc rốn hạt ở các giống là không giống nhau, đây là biểu hiện đặc trưng của giống. Trong các gian đoạn sinh trưởng, đặc biệt là thời kì ra hoa, tạo quả nếu thiếu nước thì hoa và quả non sẽ rụng nhiều.
Giai đoạn phát triển của quả và hạt cần nhiều nước nhất, thiếu nước trong giai đoạn này sẽ dẫn đến giảm kích Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn thước hạt và năng suất giảm đi đáng kể. Do vậy, thời kì này được chứng minh là thời kì bị ảnh hưởng nghiêm trọng nhất nếu thiếu nước [36]. Đậu tương là cây nhạy cảm với điều kiện ngoại cảnh, đặc biệt là hạn. Khi nghiên cứu về đặc tính chịu hạn của cây đậu tương về mặt sinh lý và di truyền đã cho thấy rằng các đặc tính này liên quan chặt chẽ đến đặc điểm hóa keo của chất nguyên sinh, quá trình trao đổi chất.
Tính chịu hạn của cây đậu tương là tính trạng đa gen và chúng thể hiện ở nhiều mặt như: sự phát triển nhanh của bộ rễ, tính chín sớm tương đối,. Các cây họ Đậu nói chung và cây đậu tương nói riêng là loài cây trồng có nhu cầu về nước cao hơn các loài cây khác và không đồng đều qua các giai đoạn, chúng thuộc nhóm cây chịu hạn kém. Do hàm lượng protein và lipid trong hạt cây đậu tương rất cao, để tổng hợp 1 kg chất khô cần 500 – 530 kg nước và trong quá trình nảy mầm thì nhu cầu về nước của cây đậu tương cũng khá cao 50%, trong khi ngô chỉ là 30% và lúa là 20% [3]. Nhân tố phiên mã DREB ở cây đậu tương Từ những năm 80 của thế kỷ XX, các nghiên cứu về DREB đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm, tiến hành giải trình tự gen DREB và so sánh trình tự gen này ở các loài thực vật khác nhau như: họ Cúc (Asteraceae), hướng dương (Helianthus annuus), lúa mì (Triticum aestivum L.)… Nhiều thành viên trong phân họ DREB đã được phân lập, mô tả và các nghiên cứu đã khẳng định chúng là những thành tố quan trọng, liên quan đến sự phản ứng với các nhân tố phi sinh học ở thực vật bằng cách quy định biểu hiện gen thông qua các trình tự DRE/CRT [38].
Một số thành viên của phân họ gen DREB được xác định có trong hệ gen của cây đậu tương như: GmDREBa, GmDREBb, GmDREBc, GmDREB1, GmDREB2, GmDREB3, GmDREB5, GmDREB6, GmDREB7 [28]. Với trình tự và độ dài khác nhau nhưng mỗi gen Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn trong phân họ DREB đều có những biểu hiện mạnh khi đậu tương gặp các điều kiện stress hạn, mặn, sốc nhiệt.