Protein và tính chống chịu ở thực vật

Sự phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử trong mọi lĩnh vực hóa sinh, sinh lý, di truyền đã gợi mở ngày càng nhiều các protein liên quan đến các cơ chế phân tử về tính chống chịu ở th

TRẦN THỊ PHƯƠNG LIÊN

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Nông Văn Hải, Viện Công nghệ sinh học, PGS TS Chu Hoàng Mậu, Đại học Thái Nguyên đã có nhiều ý kiến đóng góp quý báu trong quá trình hoàn thành giáo trình này

HỘI ĐỒNG THẢM ĐỊNH SÁCH GIÁO TRÌNH

PGS.TS Nông Văn Hải

GS.TS Phan Văn Chỉ

PGS.TS Nguyễn Văn Mùi

TS Lê Thị Thu Hiền

TS Phạm Thị Lý Thu

Viện Công nghệ sinh học Viện Công nghệ sinh học

ĐH KHTN, ĐHQG Hà Nội

Viện Công nghệ sinh học

Viện Di truyền Nông nghiệp

LỜI GIỚI THIỆU

Vấn đề lương thực và biến đổi khí hậu toàn cầu là một trong những

điểm nhấn nóng bỏng hiện nay trên thế giới Đất nước có nền sản xuất

nông nghiệp nhiệt đới rộng như Việt Nam luôn bị ảnh hưởng sâu sắc do

những điều kiện thay đổi bất lợi như sâu bệnh, nóng, hạn hán, lũ lụt,

nguy cơ ngập mặn Những kiến thức cơ bản về cơ chế sinh học phân tử

của tính chong chịu ở thực vật thật sự rất cần thiết để làm cơ sở cho chọn

tạo giống cây trồng thích ứng với môi trường

Quyển giáo trinh “Protein va tinh chống chịu ở thực vật” là cuốn

sách đầu tiên của TS Trần Thị Phương Liên;-Viện Công nghệ sinh học,

về lĩnh vực này Mọi quá trình phản ứng trong cơ thể liên quan đến tính

chống chịu đều được thực hiện dưới sự điều khiển của các gen thông qua

sản phẩm biểu hiện của chúng - protein Sự phát triển mạnh mẽ của sinh

học phân tử trong mọi lĩnh vực hóa sinh, sinh lý, di truyền đã gợi mở

ngày càng nhiều các protein liên quan đến các cơ chế phân tử về tính

chống chịu ở thực vật Trong đó, protein hạt đóng vai trò quan trọng

không chỉ ở khía cạnh chất lượng dinh đưỡng mà còn ở khía cạnh giúp

hạt chống chịu nhiều điều kiện ngoại cảnh bất lợi Ngoài các thông tin

cập nhật trên thế giới, cuốn sách còn giới thiệu nghiên cứu nhiều năm của

tác giả trong lĩnh vực này

Quyên giáo trình được viết công phu, có hình minh họa, ngắn gọn,

dễ hiểu, hy vọng sẽ giúp ích cho các học viên cao học, nghiên cứu sinh

trong quá trình học tập Sách còn có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho

các cán bộ nghiên cứu khoa học trong ngành sinh học, nông lâm nghiệp

Xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc

PGS TS Nông Văn Hải

Giám đốc Phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ gen

Phó Viện trưởng Viện Công nghệ sinh học, Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam

MỤC LỤC

8 0

Chương 1 Khái niệm chung -tertrrerret

1d Protein va chirc nang n6i CHUNG ee

1.3 Protein lién quan đến tinh chong chju ở thực vật

1.3.1 Protein có chức năng chống chịu ở thực vật -

1.3.2 Protein điều khiển biểu hiện gen liên quan đến tính

21.41 Prolamin của họ phụ Ï7i(iC£đê -«eeerrerrrrrrrrrrtrtrne

2.1.4.2 Siêu họ prolamin ở các loài khác -errerrrerer

2.1.5 Protein dự trữ của lúa nước -sesrrrerrtrrterrrtee

22 Protease — enzyme phan gidi protein trong hạt

221 Protease A cằẽhrHhrrtrrtrettrtrntttrrrtrrne

22.2 Protease B -nnhrtrrtrrtrrtrrdrrtrrrtrrrr

223 — Serine endopeptidase CÏ -+errerrrrrrrrrrrrree

2.2.4 Endopeptidase chứa kim loại -eeeereeeeerrrnre

2.2.5 — Carboxypeptidase ‹ e-enemrrrrrrrtrrrtrrrere

22.6 — Aminopeptidase hhnnh

2.3 Sinh tong hợp, lắp ráp, vận chuyên và phân giải

protein dự trữ của MG

2.3.1 Sinh tong hop, vận chuyển protein dự trữ và hình thành

hạt protein ở cây hai lá mâm

ili

Sinh tổng hợp, vận chuyển protein dự trữ và hình thành

hạt protein Ở Các cây ngũ CÔC cà nnnneeec

Thuyết về sự thủy phân hạn chế và phân giải hoàn toàn protein trong hật HH HH ngu gay

Một số kết quả nghiên cứu vé protein hạt tại Viện

Công nghệ sinh: hiọc St rr re Nghiên cứu tính đa dạng của protein hạt các giống đậu

|) 04-0 D nVVØ4

Vat Héu dau trong ceccsssssscscsssesscsesesessssvsesesececess

Protein hat đậu tương trên điện di SDS PAGE

Điện di hai chiều protein hạt đậu tương

Protease và sự thủy phan protein dự trữ trong quá trình

nay mam cia hạt giống đậu tương MI103

Hoạt độ protease trong quá trình nây mầm của hạt đậu Thanh phan protease trong quá trình nây mầm của hạt

Sự thủy phân protein hạt trong quá trình nay mầm của hạt đậu tương

Hạn do tác động môi trường Tác động của han,

3.3.1 Cấu trúc protein chuyển nước qua màng -

3.3.2 Các dạng protein chuyển nước qua màng ở thực vật

3.4 Điều hòa biểu hiện gen khi gặp hạn

3.4.1 Các yêu tố điều hòa phụ thuộc vào ABA

3.4.2 Cac yeu tố điều hòa không phụ thuộc vào ABA

3.5 Các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu -

3.5.1 Glucose và các oligosaccharide «cccceeere 3.5.2 ốo ae

3.6 Khả năng nâng cao tính chịu hạn bằng kỹ thuật gen

3.7 Chon tgo giong chỗng chịu hạn nhờ lập bản dé gen

3.8 Một số kết quả nghiên cứu vê protein liên quan đến tính chịu hạn tại Viện Công nghệ sinh học

3.8.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất thâm thấu cao lên quá trình nảy mầm của hạt 6 55-5ccc+cccrkerrrkee 3.8.2 Nghiên cứu tính đa dạng sinh học của gen dehydrin ở đậu tương ereeeeeerreerrrrrrerrrrrrrrrrrro 3.8.2.1 Tách chiết DNA từ một số loài thực vật

3.8.2.2 Phân lập gen dehydrin từ genome đậu tương

3.8.2.3 So sánh trỉnh tự gen dehydrin các giống đậu tương

3.8.2.4 So sánh gen dehydrin đậu tương với các loài đậu 1117

3.8.3 Nghiên cứu tính đa dạng sinh học của gen dehydrin ở 7 EOE EOEOSEOSOOS 3.8.3.1 Nguyén ligt ng6 seers nsteeteneeceeseerersensieees 3.8.3.2 Phan lap gen dehydrin 6 ng6 ences teeters 3.8.3.3 So sánh trình tự các gen dehydrin của ngô

3.8.3.4 Intron của các gen dehydrin ở ngô -cceo Chương 4 Protein và tính chịu nóng -.-. -

41 Hiện tượng nóng và phần ứng của thực vật

4.1.1 _ Hiện tượng nóng và tác động lên thực vật

4.12 _ Khái niệm về môi giới phân tử c c: 4.2 Các nhóm profein soc nhiét .c cece ' UNG 5 .ố a 4.2.2 — HSPO0

4.2.2.1 Phitc hé GroEL -ssscceseeereehrrrrrre

4.2.2.2 Phức hệ TR¡C -Ặ 5< nhhhheHerrrrrrre

4.2.4 — Hspl00 ecehererrrrrrrrdirrirrmeree

4.2.5 Protein sốc nhiệt nhỏ -.-cccccsfserreeriee

4.3 Các môi giới phân tử tạo cau trúc không gian cho

101

102

105

107

108

110

111

113

115

117

119

119

123

123

127

128

131

132

132

133

134

136

141

141

141

143

146

147

148

149

151

152

152

154

Tao câu trúc không gian cho protein có chuôi peptide

Vai trò môi giới phân tử trong việc vận chuyển và tạo

cầu trúc không gian cho protein trong các bào quan

Vận chuyên va tao cau trúc không gian trong lục lạp

Vận chuyển và tạo cấu trúc không gian trong ty thé

Vận chuyển và tạo cấu trúc không gian trong thể

D€TOXISOIM€ HS HH nh kh sen

Vận chuyển và tạo cấu trúc không gian trong nhân tế

Sự phân giải DFOÍGÏH kg nghe,

Vai trò của sự phân giải protein trong tế bào

Đặc điểm của sự phân giải protein trong các bảo quan

Hệ ubiquitin — proteasotme sen neeee

Điều hòa biểu hiện gen sốc nhiệt -

Một số nghiên cứu về protein liên quan đến tính chịu

núng ở Viện Công nghệ sinh học

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ cao lên quá trình

nảy mầm của hạt đậu tương -csccscrvres

Protein chịu nhiệt ở đậu tương 5 - c5

Khảo sát sự thay đôi của protein chịu nhiệt trong quá

trình nẫy mầm trên giống đậu tương chịu nóng M103

Nghiên cứu protein chịu nhiệt trong phôi mâm của hạt

một số giống đậu tương địa phương và đại trà có khả

năng chịu nóng, chịu hạn, - 6c se cecrs

Nghiên cứu tính đa dạng sinh học của gen chaperonin ở

đậu TưƠng ch 2211111111 11111111 ng grerrey

Phát hiện gen chaperonin CCTồ từ genome đậu tương

Tách dòng gen chaperonin CCTồ hai giống đậu tương

M103 và Cúc Vàng án geeresey

Xác định trình tự nucleotide của gen chaperonin CCTõ

hai giống đậu tương M103 và Cúc Vàng "

So sánh trình tự gen CCTỗ giữa các giống đậu tương và

5.1.1 Hiện tượng lạnh giá và tác động lên thực vật 203

5.1.2 Lipid mang té bao va kha nang chong chịu lạnh giá 204 5.1.3 Cac chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu và protein chống

lạnh giá -ccsrskeerersertieieiriiiiiiiiirrrirrrrre 207

5.14 — Sự thay đổi trong biểu hiện gen chống lạnh giá 207 5.2 Protein vi tink Chiu MGM ccc terres 208 5.2.1 Hiện tượng mặn muối và tác động lên thực vật 208

5.2.2 — Loại bỏ các dạng ROS -eeeieerirrrrire 210 5.23 — Tăng cường các chất điều chỉnh áp suất thẩm thau 210 5.2.4 — Các protein kiểm soát sự hấp thụ ion Na”, KỲ, Ca”” và

5.3.1 Hiện tượng ngập úng và tác động lên thực vật 217

53.2 — Quá trình chuyên hóa năng lượng khi bị úng 218

5.3.3 Vai trò của cdc hormon ethylene, gibberellin và ABA 220 Chương 6 Protein và tính chống chịu oxy hóa - 223

6.1 Hiện tượng oxy hóa ở thực vật eeeeirerien 223

6.2 Các dạng oxy hoạt hóa và tác động của chúng 224 6.2.1 Các dạng oxy hoạt hóa -ereerrerstrrrtrre 224 6.2.2 Tác động của ROS cỶhìneennerneee 227 6.23 Hệ thống bảo vệ > cay trồng khỏi tác động của oxy hóa 229

6.3.1 — Superoxide dismutase -. -eeeeeerererrerrere 230 6.3.2 Catalase -eenreienserrrrrrrrrrrdrrrrrrrrrrre 232 6.3.3 Cac enzyme chuyển hoa ascorbate 232 6.3.3.1 Ascorbate peroxidase eerererrrrrrrrerrrrre 232 6.3.3.2 Monodehydroascorbate reductase -eerrree 234 6.3.3.3 Dehydroascorbate reducfase -eeeeeererrrrerrrere 234 6.3.4 Cac enzyme chuyên hóa glutathione . - 234 6.3.4.1 Tổng hợp glutathione -. -csrtterrttrrrterrrrrrtrrrrrre 235 6.3.4.2 Phân giải glutathione eeeerreeereereeeereeerrreee 236 6.4 Các chất chỗng oxy hóa không có bản chat enzyme 237 6.4.1 Ascorbate -ceeneerrrertrtrrrrrrdrrrrrretrrrr 237

6.4.2 — ơ-tocoferol -eeeseeeerrrrrerrrrrrrrtrrrrre 238

6.43 Carotenoid -sŸằnnhhhhrtrhtrttrtrtrrrrrrtrtrre 238 6.5 Chu trình ascorbate-glutathione ccnnies 239

vii

6.6 Điều hòa biểu hiện gen chống oxy hóa

6.7 Nghiên cứu enzyme sử dụng biến nạp gen

Chuong 7 Protein và tính kháng bệnh ở thực vật

71 Mầm bệnh và các dạng tương tác với thực vật

7.1.1 Mầm bệnh thực vật -cccvveierrrerrrtiee r0 m" ` 5 dVQdẦÃ|Ã4 ÔÒÔ

7.1.1.3 Vi khuẩn eo 7.1.1.4 Tuyến trùng c-ccccckectkeckEEeEkrerkerkrreerrrrke TALS Sau hai Cay

7.1.2 _ Các đạng tương tác giữa thực vật và mầm bệnh

7.1.3 Phản ứng bảo vệ của thực vẬt co, 7.1.3.1 ROS va cdc tin hiệu thứ cấp -ccccccccccrcces 7.1.3.2 Phản ứng mẫn cảm đặc hiệu - 55s sscxszevrxz 7.1.3.3 Hiện tượng kháng bệnh và bản chất phân tử của chúng

7.2 Các protein liên quan dén mam gay bénh va protein khẳng ĐỆHÌ, Hàng HH re, 7.2.1 Protein liên quan đến mầm gây bệnh

7.2.2 Các nhóm protein kháng bệnh - s25 +22 7.2.2.1 Nhóm LRR-TM - Ăn tkg 7.2.2.2 Nhóm LRR-TM-Kinase SĂ TS ssseirereeee ¿Z5 n8)

7.2.2.4 Serine/threonine protein kina$€ - co cccssccessee Z5 È so 7a

7.2.2.6 Thụ thể liên kết với protein G cccccocccreecrec 7.2.2.7 Protein AVH ii

7.3 Các thuyết vê hoạt động của protein khang bénh

7.3.1 Hoạt động của các protein kháng khuẩn HH TH kg kg 7.3.2 Hoạt động của các protein kháng nam c HH TH HH ng ng cư, 7.3.3 Hoạt động của Cf9, protein kháng nắm ở cà chua

7.3.4 — Hoạt động của Pto, protein kháng khuẩn ở cà chua

7.4 Một số phương pháp phân lập gen khang bénh

7.4.1 Kỹ thuật “Shortgun cloning, co cecsrsrcee 7.4.2 Phân lập gen dựa trên lập bản đỗ liên kết chỉ thị phân tử 7.5 Ung dụng sự tương tác giữa vì khuẩn và thực vật làm vector chuyén gen vào thực vật cv 7.5.L Agrobacterium — vi khudn gây khối u ở thực vật

7.5.2 — Sự tương tác Agrobacterirum với tế bào thực vật khởi

viii

dau cho qua trinh chuyén T-DNA vao thực vật

242

245

247

248

248

249

251

251

25

252

253

255

256

258

258

259

259

262

262

263

264

271

271

271

271

273

273

276

277

279

280

280

282

285

285 286

Chương 8 Các phương pháp nghiên cứu protcein

81 Cách tiếp cận truyền thống trong nghiên cứu protein

8.2 Tgch chiết protein tong $6 essences

8.3 Phan dogn protein theo tinh AOA LAN, veces

8.4 Phân đoạn protein trên sắc ký cột - -

8.4.1 — Sắc ký trao đổi ion c-eeerrrreeererie

8.4.2 Sac kỹ sàng phân tử (lọc gel) -eree Hàn

8.43 — Sắc ký ái lực eeeeneererrrrrrdirrrdre

8.5 Điện di trén polyacrylamide gel

8.5.1 Dién di SDS PAGE -sseeseestesecteeeen tees reesteresesesenentey "

§.5.2 — Điện di hai chiểu -cneeeree "—

8.6 Nhận dạng protein bằng sắc ký khỗi phổ

8.7 Xác định trình tự aqmino acid của protein

6.6 Nghiên cứu chức năng protein thông qua phân lập

ON occ ccc cee eT EEE EEE EE EES

8.8.1 Tach chiết DNA, mRNA từ thực vật -~e-

8.8.2 Nhân gen bằng PCR -siernnerreeh

8.8.2.1 PCR cơ bản ò«cesehnhhhhrrrritrrrrrrdtrie

8.8.2.2 RTPCR -scssssnnnnrertrrrrrrrtrtrrrdrerrrie

8.8.3 — Tách dòng gen -eerrrrrrrrrtrrretrree

8.8.4 — Xác định trình tự gen -seeerrrrsrrrrrtrte

§.8.5 Nghiên cứu so sánh trình tự amino acid - -

8.9 Biểu hiện và xác định mức độ biểu hiện của gen

8.9.1 Real-time PCR va xac dinh mirc d6 biểu hiện gen

8.9.2 Biểu hiện gen trong thực vật -. cnhhenneeh

8.943 — Xác định mức độ biểu hiện gen bang lai Western

8.10 Tin sinh hoc trong nghién cứu profeiH -

8.10.1 Cơ sở dữ liệu protein và nucleotide : -

8.10.2 Cơ sở dữ liệu điện di hai chiều 55c ssecsrreerere

Tài liệu tham khảo -eenhhhrthrtrrtrtrtrrtrrtrtrrtre

Danh lục các thuật ngữ chuyên ngành và viết tắ

LỜI MỞ ĐẦU

Sự biến đổi khí hậu toàn cầu càng ngày càng gây nhiều tác động bất

lợi lên các cơ thể sống, đặc biệt là động, thực vật và con người Thực vật

với môi trường sống đặc thù của mình luôn bị tác động mạnh nhất và

luôn phải tìm ra những cơ chế thích nghỉ, chống chịu để tồn tại Thêm

vào đó, đất nước ta có nhiều vùng khí hậu, điều kiện ngoại cảnh của mỗi

vùng rất khác nhau Địa hình có đến 3/4 là đồi núi, thường có mùa khô

hanh ở miền Bắc, mùa khô nóng ở miền Trung Bờ biển trải dài suốt đọc

chiều dài nước ta tạo ra những vùng đất ngập mặn lớn Các yếu tố ngoại

cảnh như thành phần thổ nhưỡng, lượng mưa, nhiệt độ, sâu bệnh giữa các

vùng không giống nhau Để khai thác được tối đa tiềm năng của giống

cây trằng và hệ sinh thái cần nắm vững phản ứng của cây trồng đối với

các điều kiện ngoại cảnh Phản ứng của cây trồng rất đa dạng và phụ

thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: loại cây trồng, thời gian sinh trưởng,

mức độ khắc nghiệt của những hiện tượng môi trường bất lợi Biểu hiện

của quá trình này là việc sinh tổng hợp một loạt các chất trong tế bào liên

quan đến khả năng chống chịu của cây, trong đó, được quan tâm nghiên

cứu nhất là các protein như sản phẩm biểu hiện của gen, sự liên quan của

chúng với khả năng chống chịu ở thực vật

Trước đây, quá trình chống chịu với điều kiện ngoại cảnh cực đoan

như hạn, lạnh, nhiệt độ cao được nghiên cứu như hiện tượng sinh lý

Ngày nay, bản chất của tất cả các hiện tượng sinh lý đều được nghiên cứu

ở mức độ phân tử, mức độ gen và sản phẩm biểu hiện của chúng —

protein Tính chống chịu là tính trạng đa gen rất phức tạp Vì vậy, sinh lý

học phân tử, hóa sinh học phân tử, di truyền học phân tử của các quá

trình sinh lý chống chịu đều được xúc tiến trên mọi phương điện Với sự

phát triển mạnh mẽ của sinh học phân tử, cơ chế phân tử của nhiều quá

trình chống chịu đang dan dần được sáng tỏ

Trong quyền sách này, các khái niệm về các phản ứng của thực vật dưới điều kiện ngoại cảnh môi trường bất lợi được trình bày theo cách nhìn của sinh học hiện đại làm cơ sở cho tính chống chịu, cũng như những nét cơ bản về các loại protein (và các gen mã hóa cho chúng) liên

quan đến cơ chế phân tử của tính chống chịu này Sách có thể sử dung dé giảng dạy cho học viên cao học, nghiên cứu sinh thuộc chuyên ngành

sinh học, sinh lý học, hóa sinh học, di truyền học, công nghệ sinh học và

nông lâm nghiệp và tham khảo cho các cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành liên quan Đây là lĩnh vực mới với nhiều thuật ngữ chuyên `

ngành cập nhật nên không tránh khỏi thiếu xót Rất mong được các bạn

đọc gần xa góp ý kiến

Tác giả

CHUONG 1

KHAI NIEM CHUNG

1.1 PROTEIN VA CHUC NANG CUA PROTEIN NOI CHUNG

Protein là các đại phân tử có số lượng lớn trong tất cả các loại tế

bào và các bao quan Protein rất đa dạng, có hàng nghìn loại với kích

thước khác nhau, từ những peptide nhỏ đến những đại phân tử với khối

lượng phân tử đến hàng triệu Da (bang 1.1) Protein rất khác nhau về

chức năng sinh học và là sản phẩm cuối cùng quan trọng nhất trong con

đường dẫn truyền thông tin đi truyền: sản phẩm biểu hiện của gen

Protein là đại phân tử sống quan trọng đầu tiên được biết đến Theo tiếng

Hy lạp “protos” - có nghĩa là đầu tién (first or foremost)

1.1.1 Các amino acid

Hàng nghìn loại protein khác nhau đều cấu tạo từ 20 loại amino acid

chính Trên thực tế có trên 150 loại amino acid khác trong mô tế bào các

loại động thực vật, ở dạng tự do hoặc liên kết Phần lớn trong số đó là các

dẫn xuất từ 20 loại amino acid chính và không có trong thành phần

- protein Glycine là amino acid đầu tiên được phát hiện ra vào năm 1820

từ gelatin, còn threonine là amino acid cuối cùng phát hiện vào năm 1935

từ fibrine Trong cấu trúc phân tử của các amino acid đều có các gốc

chính: gốc amino (—NH;), gốc carboxyl (-COOH) và nhóm biến đổi

thường ký hiệu là R (—R) Các gốc này được gắn với nguyên tử carbon

trung tâm (gọi là carbon œ) bằng liên kết cộng hóa trị

Bảng 1.1: Kích thước phân tử của một số protein (theo Nelson & Cox, 2000)

RNA polymerase (E£ coli) 450 000 4158 5

(E coli)

Ghi chú: * Khối lượng phân tử được tính bằng Da

Tùy theo nhóm R mà người ta phân 20 amino acid thành các nhóm sau đây:

- Nhóm -R không phân cực bao gồm alanine, valine, leucine,

isoleucine, proline, phenylalanine, tryptophan, methionine

- Nhóm —R phân cực bao gồm serine, glycine, threonine, cysteine,

tyrozine, asparagine, glutamine Trong phan ti của chúng thường có

thém nhém hydroxyl! (-OH)

- Nhóm —R acid (tích điện 4m) cé 2 amino acid: aspartic acid va

glutamic acid, trong phân tử của chúng có hai nhóm carboxy]

- Nhóm -R kiềm (tích điện dương) bao gồm lysine, arginine,

histidine, trong phân tử của chúng có hai nhóm amino

- Nhóm -R có mạch vòng thơm bao gồm phenylalanine, tryptophan

va tyrosine

Khối lượng phân tử, một số thông số và các ký hiệu viết tắt của

từng amino acid được trình bày trên bảng 1.2

Các gốc amino, gốc carboxyl và gốc hydroxyl còn tham gia hình

thành liên kết hydro, liên kết ion trong phân tử protein Ngoài ra, gốc

thiol (—SH) của Cys hình thành liên kết cộng hóa trị bền vững trong cầu

disulũde (—S—S—) giữa các mạch đơn Đây là các gốc tạo nên các cau

trúc rất đa đạng cho các đại phân tử protein

1.1.2 Câu trúc của protein

Tổ hợp khác nhau của 20 amino acid trong mỗi protein tạo ra sản

phẩm đa dạng có các cấu trúc bậc 1,2, 3 và 4 (hình 1.1) Protein có cầu

trúc không gian đặc thù - cấu trúc bậc 4, mới có khả năng thực hiện được

các chức năng sinh học

Cầu trúc bậc 1 là trình tự các amino acid trong phân tử prpotein được kết

hợp với nhau bằng liên kết peptide (iên kết cộng hóa trị) tạo thành chuỗi

mach thang Trinh ty nay rat quan trong va rất nghiêm ngặt đối với từng

loại protein Thứ tự này là duy nhất cho từng protein Trình tự bậc 1 sé

quy định vị trí của cầu disulfide và các cấu trúc bậc 2, 3, 4 tiếp theo cho

protein Peptide thường để gọi đơn vị được hình thành bằng liên kết giữa

hai hoặc vài amino acid Còn polypeptide két hop nhiéu amino acid theo

mạch thẳng bằng lién két peptide

Chuỗi amino acid thường han chế về độ dài Độ dài của chuỗi phải

luôn phụ thuộc vào khả năng mã hóa của genome và khả năng sinh tổng hợp protein trên ribosome trong tế bào Sinh tổng hợp protein có thể tạo

ra lỗi với xác suất 1/10000 gốc amino acid Vì vậy, protein có khối lượng

phân tử trên 100 kDa thường được cấu thành từ các tiểu đơn vị, hình

thành cấu trúc bậc 4

Trình tự amino acid quyết định chức năng protein, định vị của chúng trong tế bảo, quá trình biến đổi thông qua vỉ tiền xử lý các tiền chất sau phiên mã và thời gian tồn tại của protein trong tế bào Những đoạn amino acid ở tận cùng đầu N thường là tín hiệu định vị của protein trong nguyên sinh chất (còn gọi là tế bào chất) hoặc một trong những bào quan của tế bào Trên chuỗi amino acid cũng là nơi quy định vị trí gắn cho gốc glycosyl hoac lipid dé tao thanh glycoprotein hodc lipoprotein

Bang 1.2 Cac amino acid

Amino acid | Ky hiéu | KLPT* pl Mã di truyền

Glycine Gly G 75 597 | GGT, GGC, GGA,

GGG Alanine Ala A 89 6,01 | GCT, GCC, GCA, GCG Proline Pro P 115 6,48 | CCT, CCC, CCA, CCG Valine Val V 117 5,97 | GTT, GTC, GTA, GTG

Leucine Leu L 131 5.98 | TTA, TTG, CTT,CTC,

CTA, CTG

Isoleucine He I 131 6,02 | ATT, ATC, ATA,

Methionine Met M 149 5,74 | ATG

Cysteine Cys C 121 5,07 | TGT, TGC

Asparagine Asn N 132 5,41 | AAT, AAC,

Glutamine Gln Q 146 5,65 | CAA, CAG,

Histidine His H 155 7,69 | CAT, CAC,

Arginine Arg R 174 10,76 | CGT, CGC, CGA,

CGG, AGA, AGG

Aspartic Asp D 133 277 | GAT, GAC,

Glutamic Glu E 147 3,22 | GAA, GAG,

TAA, TAG, TGA (ma

kết thúc)

Ghi chú: * Khối lượng phân tử tính theo Da

Sự thay đổi chỉ một vị trí amino acid cũng có thể gây ra sự thay đổi cơ

bản về tính chất của protein và thậm chí có thể gây ra những bệnh hiểm

nghèo như một số bệnh di truyền ở người và động vật

Sự tương đồng các chuỗi amino acid trên 25% có thể nhóm thành

họ protein Những protein trong cùng họ thường có chung một vài đặc

tính về cấu trúc và chức năng

Cấu trúc bậc 2 được hình thành từ chuỗi mạch thẳng bằng cách tạo thành

xoắn œ hay gấp nếp B Day 1a cau tric thứ cap Cấu trúc không gian được

hình thành nhờ các liên kết hydro giữa các gốc (—N-H) và (~C=O) của

các amino acid dọc theo mạch polypeptide Cấu trúc xoắn œ cuộn đều

đặn như bện thừng, mỗi vòng xoắn có đường kính 0,54 nm gồm 3,6 gốc

amino acid Cấu trúc gấp nếp B tạo thành hai mạch kéo dài, nằm song

song nhờ các liên kết hydro

Cấu trúc bậc 3 là câu trúc không gian ba chiều của một polypeptide được

hình thành trên cơ sở cuộn xoắn bện gấp nép của mạch cấu trúc bậc 2

nhờ các liên kết hydro, liên kết ion và cầu đisulñde Hình dạng của

protein với những vùng lồi lõm, các miền cuộn xoăn được chuyên hóa

thích hợp với chức năng của chúng Những vị trí gấp khúc, hướng và góc

tạo thành nhờ các goéc Pro, Thr, Ser va Gly trên chuỗi amino acid Mỗi

polypetide có thể có vài dạng cấu trúc bậc ba Chúng có thể thay đổi

trong những điều kiện nhất định và có thể chuyển từ dạng cấu trúc này

sang dạng cấu trúc khác dé thực hiện các chức năng sinh học

Cấu trúc bậc 4 là sự kết hợp các polypeptide (đã hình thành cấu trúc

bậc 3) để tạo phức hệ protein lớn hơn Các polypeptide có cấu trúc không

gian được kết hợp lại với nhau nhờ các liên kết yếu như liên kết cộng hóa

trị, liên kết hydro và liên kết ion Trong đó, liên kết hydro là chủ yếu

Tương tự như cấu trúc bậc ba, cấu trúc bậc bốn của protein có những

đạng nhất định, chúng cũng linh hoạt biến đổi để phù hợp với sự tương

tác với các chất khác trong quá trình thực hiện các chức năng sinh học

Ở thực vật, các protein điển hình như các enzyme trong quá trình

quang hợp, ví dụ, RUBISCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase

7

oxygenase) xúc tác phản ứng tổng hợp chất hữu cơ sử dụng CO; tự do

được cấu tạo từ 8 tiểu đơn vị nhỏ và 8 tiêu đơn vị lớn

Cầu trúc Cấu trúc Cau tric Cấu trúc

Hình 1.1: Mô hình cấu trúc của protein hemoglobin: từ bậc 1 đến bậc 4 (theo

Nelson & Cox, 2000)

1.1.3 Các loại protein

Protein có thể phân thành hai loại: Protein đạng sợi và protein dạng

hat Protein dạng sợi có mạch duỗi thắng, it tan và bền vững với nhiệt

độ và pH Chúng thường có cấu tạo đơn giản từ một dạng cấu trúc bậc 2

Một ví dụ điển hình là œ-keratin cấu tạo nên lông, tóc Xoắn œ-keratin chính là xoắn œ về phía bên phải tạo nên dạng xoắn cuộn Đây là cấu trúc bậc hai được phát hiện vào năm 1950 Chuỗi œ-keratin đã có cầu trúc bậc

hai xoắn tiếp theo trục về bên trái để hình thành cấu trúc bậc 3 Hai chuỗi œ-keratin có cấu trúc bậc 3 xoắn vào nhau, tạo thành xoắn kép: đó

là cấu trúc bậc 4 Hai xoắn kép có kích thước khoảng 20-30 A Téc có

cấu tạo từ hàng trăm xoắn kép dạng này Chuỗi œ-keratin giàu Ala, Val,

Leu, Ile, Met va Phe Protein dạng sợi còn tìm thấy trong cấu trúc như myosin, collagen, tubulin

Dạng thứ hai là protein dạng hạt: protein thường gấp cuộn phức tạp thành hình viên tròn Protein dạng hạt thường cấu tạo từ nhiều dạng cầu trúc bậc 2 kèm theo gap nép, tạo góc Ví dụ điển hình cho dạng này

là myoglobin Cấu trúc của chúng được phát hiện bằng tia X vào năm

1950 Myoglobin có khối lượng phân tử nhỏ 16,7 kDa véi 153 amino

8

fo

acid và là protein giữ oxy trong cơ để thực hiện chức năng dự trữ và phân

bố oxy khi cần thiết trong cơ bắp của động vật Cấu trúc bậc hai tạo thành từ xoắn œ Chuỗi amino acid với nhiều lần gấp khúc, trong đó, có

một vài gấp nếp B, tạo thành 8 đoạn xoắn œ: đoạn dài nhất chứa 23 gốc

amino acid còn đoạn ngăn nhật chứa 7 gôc amino acid Trên 70% số

amino acid của myoglobin tham gia tạo thành xoắn ơ trên cấu trúc này Đây là cấu trúc có nhân hem chứa Fe ở giữa

Các protein dạng hạt thường có nhiều kiểu cấu trúc bậc 3 và bậc 4

Chúng có thể thay đổi các cấu trúc này phụ thuộc vào quá trình thực hiện

các chức năng trong các phản ứng sinh hóa trong tế bào Phần lớn các enzyme đều là protein dạng hạt, dễ tan trong nước, nhạy cảm với sự thay

đổi của nhiệt độ và pH Một số protein dạng hạt liên kết với cofactor —

yếu tố cùng tác động không có bản chất protein, tạo thành phức hệ

protein Các chất này có thé 1a lipid, các loại saccharide hoc ion kim

loại và các phức hệ protein tương ứng sẽ là lipoprotein, glycoprotein va metalloprotein Protein dang hat còn có thể là protein dự trữ như các globulin ở đậu tương,: hemoglobin trong hồng cầu máu động vật và người

1.1.4 Chức năng protein

Các protein cùng đồng thời tồn tại ở nhiều vị trí khác nhau trong cơ thể và thực hiện những chức năng khác nhau Đó là các enzyme, hormon, kháng thể, protein vận chuyên, cơ bắp, protein thủy tính thể của mắt, lông, mạng nhện, sừng tê giác, protein sữa, nắm độc Trong đó, enzyme

là nhóm protein quan trọng nhất

Có thể liệt kê các chức năng chính của protein như sau:

Enzyme xiic tac cdc phan ứng sinh học: Đây là chức năng quan trọng

nhất của protein Trong hoạt động sống của tế bào có hàng nghìn phan ứng hóa học xảy ra để cung cấp năng lượng, tong hop va chuyén héa nhiều chất duy trì sự sống cho tế bào Điều hòa các phản ứng này là các enzyme - chất xúc tác cho mọi phản ứng sinh học trong cơ thể, làm phản ứng tăng nhanh 108-1019 lần so với điều kiện không có enzyme Có hàng

9

nghìn enzyme trong mỗi tế bào, sự có mặt và số lượng của chúng sẽ xác

định tốc độ của phản ứng Hoạt động của enzyme phụ thuộc vào nhiệt độ,

pH, nồng độ cơ chất, nồng độ enzyme và bị ảnh hưởng bởi các chất ức chế enzyme đặc hiệu Theo công ước quốc tế, người ta phân loại enzyme thành 6 nhóm, phụ thuộc vào tính chất của phản ứng mà enzyme tham

gia xuc tac

- Oxydoreductase: xúc tác các phản ứng oxy hóa khử

- TransÍerase: xúc tác phản ứng chuyên các nhóm nguyên tử nhỏ từ

cơ chất này sang cơ chất khác

- Hydrolase: xúc tác phản ứng thủy phân làm đứt gãy các liên kết

hóa học

- Liase: xúc tác phản ứng làm gãy các mối liên kết hóa học không

có sự tham gia của phân tử nước, có thể tạo thành các mối liên kết đôi

- Isomerase: xtic tác phản ứng tái phân bế lại các nguyên tử trong cơ

chất đề tạo đồng phân mới

- Ligase: xúc tác phản ứng tạo liên kết hóa học mới giữa các nguyên

tố C-C hoặc C-N

Vận chuyển: các protein tham gia vận chuyển các chất như: protein

hemoglobin vận chuyển oxy trong huyết thanh Sắt được vận chuyên nhờ

transferin Aquaporin - protein vận chuyển nước qua màng tế bào

Dừnh dưỡng và dự trữ: các protein dự trữ trong các cây ngũ cốc, các loại đậu như gÌycinin, B-conglycinin ở đậu tương, zein ở ngô, glutelin ở lúa nước, gliadin ở lúa mỳ Ovalbumin trong lòng trắng trứng, casein trong sữa - đêu là protein dự trữ và đỉnh dưỡng

Vận động: tubulin cầu tạo từ microtubulin- protein co rút của lông và roi

Tubulin tham gia chuyển động nhiễm sắc thể khi phân bào trong mọi tế

bao Actin, myosin la protein sợi thực hiện chuyển động trượt khi co cơ Cấu trúc: màng tế bào, các bào quan đều cấu tạo từ protein-lipid, thành phân chủ yêu của protein gân sụn là collagen, có tính chụn giãn và bền vững cao Thành phần chính của sợi tơ và mạng nhện là prote

10

in fibroin.

Bảo vệ: khái niệm chức năng bảo vệ của protein ngày càng được mở rộng: đó là kháng thể - protein sinh ra khi có protein lạ (kháng nguyên)

xâm nhập vào cơ thể người hoặc động vật và ngăn chặn tác hại của chúng Protein nọc rắn có tính chất phòng thủ Ở thực vật, một số loại

protein LEA (late embryogenesis abundant) - protein sinh ra một lượng lớn trong cuối quá trình hình thành phôi hạt; các protein môi giới phân tử (molecular chaperone) là các protein tham gia tạo cấu trúc không gian đúng cho protein cũng như tái tạo cấu trúc cho các protein bị biến tính

đều tham gia bảo vệ các phức hệ protein hoặc tế bào trong điều kiện cực đoan như hạn, nhiệt độ cao, mặn

Thụ quan: Protein có khả năng cảm thụ các kích thích hoặc tác động của

môi trường bên ngoài và truyền tín hiệu đến các bào quan hoặc các cơ

quan trung tâm Ví dụ: các thụ thể trên màng tế bào, nhất là trên màng tế

bào thần kinh

Điều hòa: các hormon có ban chat protein: insulin điều hòa chuyển hóa

đường, hormon truởng thành của tuyến yên Các protein điều hòa sinh

tổng hợp enzyme, sinh tổng hợp RNA, DNA trong quá trình phân bào

Các protein điều hòa quá trình biểu hiện gen trong quá trình sinh trưởng

cá thê cũng như khi gặp các điều kiện cực đoan ở thực vật

1.2 TÍNH CHÓNG CHỊU Ở THỰC VẬT

1.2.1 Cấu tạo đặc trưng của thực vật

Thực vật được coi là tiễn hóa từ tảo lam hàng trăm triệu năm trước đây Về cấu trúc từ thấp đến cao có những nhóm chính như rêu, cây có

mạch không hạt, cây có hạt, cây có hạt trần và cây có hạt kín Thực vật

có hoa, quả và hạt kín là những thực vật bậc cao tiến hóa nhất Chúng

chiếm trên 80% giới thực vật, có số loài gấp 40 lần so với thực vật hạt trần Đó là các cây ngũ cốc, lúa mỳ, lúa nước, ngô, rau xanh, các loại hoa

quả Chúng cung cấp lương thực thực phẩm cho người và động vật, đồng thời cung cấp nhiều loại nguyên liệu cho công nghiệp nhẹ

Trong quá trình tiễn hóa, thực vật tiên dân lên cạn Trong quá trình

` Zz ˆ : ` A x A ` A A `

này có sự cộng sinh cùng nâm rể, thực vật cùng nâm lên cạn, cùng nhau

H

thích nghỉ với đời sống trên cạn Như các sinh vật dị đưỡng khác, nấm

phải lấy chất hữu cơ từ các sinh vật khác Trước khi thực vật định cư trên

đất liền, môi trường cạn chưa có nhiều các chất hữu cơ, vì vậy, nắm rễ là nắm ở cạn đầu tiên Mặt khác, cây xanh nhờ quang hợp đã tạo ra đường làm nguồn năng lượng cho cả cây và nắm Nhiều loại nấm rễ khác nhau

có khả năng dự trữ đạm, lipid

Cấu trúc của thực vật có hoa và hạt kín là cấu trúc thích nghỉ tiến

hóa nhất với đời sống trên cạn: khai thác nước và muối khoáng trong đất, hấp thụ ánh sáng và khí CO; trong không khí để quang hợp và tổn tại

trong các điều kiện khô hạn Cây bao gồm có hệ rễ, hệ thân, cành, lá, hoa

và quả Hệ rễ có cấu trúc đặc thù hệ rễ chùm của cây một lá mầm hay hệ

rễ cọc của cây hai lá mầm Hệ rễ nói chung đều giúp cây bám chặt vào đất, giữ tư thế mọc thẳng, vận chuyển nước, muối khoáng và các chất

dinh dưỡng Hệ thân cảnh nâng đỡ cho lá và hoa

Để thực hiện được các chức năng này, cây có các loại tế bào và mô

rat da dạng Các tế bào mô bì như vỏ cây che phủ cho lá, thân non, chồi

và rễ non Ở một số cây, tế bào này có thể tiết ra chất sáp bảo vệ - lớp

cutin, giúp cây tránh sự thoát hơi nước Các rễ phụ đều có lông hút ở

đỉnh sinh trưởng Đây thực chất là tế bào biểu bì làm tăng bề mặt hấp thụ của hệ rễ đối với nước và muối khoáng Hệ mô dẫn phân bố khắp thân

cây, tạo thành các bó mạch dẫn như các mạng gân lá chẳng chịt trên các phiến lá Hệ mô dẫn bao gồm hai hệ ống mạch Hệ ố ông mạch gỗ dẫn nhựa nguyên có hai loại tế bào đều có vách hóa lignin vững chắc: tế bào

ống (còn gọt là quản bào) và yếu tố mạch dẫn — tế bào ngắn và thiết diện

lớn hơn Chúng tạo thành hệ ống mạch gỗ dẫn nhựa nguyên (tước va các

ion muối khoáng hòa tan) Khi thành thục, các tế bào thuộc hệ ô ống mạch

gỗ này đều chết, để lại thành tế bào cellulose hóa lignin Hệ ống mạch libe dẫn nhựa luyện (dung dịch đường và các chất hữu cơ khác) tạo thành từ các tế bào libe nối tiếp nhau Đây là các tế bào có mảng nguyên

sinh chất mỏng, không có vách cellulose thứ cấp và khi thành thục vẫn còn hoạt động sống Hai đầu mút của tế bào libe có vách thủng nhiều lỗ

nhỏ, có nhiều sợi liên bào thông nhau Các tế bào này không có nhân và ribosome, nên chúng sử đụng các protein của các tế bào kèm bên cạnh hệ

12

ống này Các hệ thống này đi từ rễ, qua thân, cành, để đến lá và quan hệ

chặt chẽ với mô quang hợp ở lá

Ngoài mô bì, trong lá còn có mô mềm từ các tế bảo thịt lá, chúng

chứa nhiều lục lạp và phân hóa thành mô dậu và mô xếp Mô dậu cấu tạo

từ các tế bào hình trụ, xếp sít vào nhau, giàu lục lạp và phân bố ở mặt

trên của lá, nơi đón ánh sáng mặt trời để quang hợp Phía đưới mặt lá có

mô xốp, ít hạt lục lạp, sắp xếp một cách rời rạc tạo ra nhiều khoảng trồng

chứa không khí Các khoảng trống áp với khí không (còn gọi là lỗ kh? là

nơi tiến hành trao đôi khí của lá Mặt đưới của lá có nhiều khí không hơn

mặt trên Khí không có cấu tạo từ hai tế bào bảo vệ làm nhiệm vụ đóng

mở khí khổng Hai tế bào này còn có đặc tính cảm quang, rất nhậy cảm

với ánh sáng Nhờ có cấu trúc đặc hiệu của khí khổng mà cây có thé duy

trì cường độ thoát hơi nước thích hợp, tạo ra vùng giảm áp trên tán lá

hình thành lực hút nước và muối khoáng từ rễ lên lá Lục lạp là bào quan

đặc trưng nhất của tế bào thực vật Cấu tạo đặc thù của các lớp thylakoid

chứa các hệ quang hợp làm nhiệm vụ tổng hợp chất hữu cơ sử dụng khí

CO; và năng lượng ánh sáng mặt trời

Thực vật thường sinh trưởng không giới hạn Chúng có cấu trúc

để có thể bám trụ vào đất ở một chỗ, phát triển rễ, cành lá lan tỏa trong

đất và không khí để tìm nước, muối khoáng, CO; và ánh sáng Sự thoát

hơi nước qua khí không tạo thành lực hút cho nước và các chất khoáng từ

rễ lên lá qua hệ thống ống mạch Sự phát triển này nhờ mô phân sinh: đó

là các tế bào không chuyên hóa, có khả năng phân chia nhanh và tạo các

tế bào mới, mô mới Mô phân sinh có ở đỉnh rễ, đỉnh chồi ngọn, chéi

nách Sự phát triển theo chiều dài do các mô phân sinh này là sự sinh

trưởng sơ cấp Một số cây chồi đỉnh tạo ra các chất ức chế sự phát triển

của chồi nách Bằng cách này, chất dinh dưỡng sẽ tập trung vào chỗi đỉnh

của cây, cây ít phát tán thành cành Mô phân sinh như một khối tế bào

hình vòm liên tục phân chia tạo thành ba vòng mô tế bào đồng tâm Vòng

ngoài cùng phân hóa thành mô bì, vòng giữa phân hóa thành mô vỏ và

vòng trong phân hóa thành mô dẫn Sinh trưởng theo chiều ngang, làm

chu vi thân cây to lên gọi là sinh trưởng thứ cấp Tén tại hai loại tế bào

tượng tầng Tế bào tượng tầng gỗ nằm giữa mô gỗ sơ cấp và libe so cấp,

13

phân chia nhanh theo chiều ngang về cả hai phía Tế bào có vách hóa gỗ

cau tạo từ cellulose có tam lignin Thân cây ngày càng to lên nhờ lớp tế

bảo tượng tầng gỗ libe tạo hết lớp này đến lớp khác Tế bào tượng tầng

lie đầu tiên cũng phân chia, sau đó biệt hóa dần tạo vách thấm sáp dày,

khi thành thục chết đi tạo lớp bảo vệ cho các phần bên trong thân cây

Lớp vỏ này có khả năng tự bóc ra theo thời gian và lớp vỏ mới lại hình thành

Hoa là cơ quan sinh sản hữu tính của thực vật Nhị là bộ phận sinh sản đực tạo ra hạt phan Nhụy là bộ phận sinh sản cái, phần trên cùng là nuốm nhụy nơi tiếp nhận hạt phần, phần giữa là vòi nhụy và phần cuối là bầu nhụy chứa các túi noãn Quá trình dẫn đến sinh sản đầu tiên là thụ phấn Thụ phần có thể nhờ động vật như ong bướm hoặc nhờ gió Sau

đó, quá trình thụ tỉnh đi từng bước như sau: hạt phấn nảy mầm trên nuốm

nhụy và thường là xây ra thụ tỉnh kép ở thực vật có hai lá mầm Tế bào

sinh sản phân chia nguyên nhiễm thành hai tỉnh tử (n), một trong số đó

thụ tỉnh với noãn tạo thành hợp tử (2n) phát triển thành phôi; tỉnh tử thứ

hai thụ tỉnh với tế bào lớn chứa 2 nhân đơn bội, tạo thành tế bào tam bội

(3n) phát triển thành nội nhũ - khối mang chất dự trữ giàu dinh dưỡng để

nuôi phôi Túi noãn phát triển thành hạt, còn bầu nhụy phát triển thành

quả Như vậy, hạt là sân phẩm sinh sản hữu tính của thực vật có hoa, có chức năng bảo tồn và phát tán hạt giống cho cây Hạt sống chậm dưới

trạng thái ngủ nghỉ Tuôi thọ của hạt đẻ chúng có thể nảy mầm phụ thuộc

vào từng loài và nhiều điều kiện khác Có hạt có thể nảy mầm sau 150

năm

Như vậy, các cấu trúc đặc thù của thực vật đều phù hợp với trạng

thái sông không dịch chuyên trong suốt quá trình phát triển, bám trụ vào đất để sống và tạo thế hệ đời sau qua hạt giống

1.2.2 Các yếu tố cực đoan

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

14

đổi và đặc biệt ảnh hưởng đến năng suất cây trồng Ngày nay do sự biến đổi khí hậu toàn cầu, môi trường ngày càng bị tác động nặng nề, trong

đó, thực vật, động vật và con người đều bị điều kiện ngoại cảnh tác động sâu sắc

Stress là các yếu tố cực đoan gây ra trạng thái bất thường của

cơ thể Các yêu tố cực đoan có thể có bản chất sinh học, gây ra bởi các sinh vật, cũng có thể là phi sinh học — phát sinh ra từ sự dư thừa hoặc thiểu hụt trong môi trường lý hóa xung quanh

Các yếu tố cực đoan sinh học (biotic stress) cần phải kể đến là các

vật gây hại hay còn gọi là mầm bệnh như vi khuẩn, virus, tuyến trùng,

côn trùng, sâu bệnh, thậm chí cả động vật an cỏ

Các yếu tố cực đoan phi sinh học (abiotic stress): như úng, hạn (thừa hoặc thiểu nước), nóng, lạnh (nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp), đất mặn, thiếu chất dinh dưỡng trong đất, quá nhiều hoặc quá ít ánh sáng, gió, kim loại nặng và tốn thương cơ học

Một số ví đụ có thể liệt kê sau đây:

- Đối với cây trồng, nhiệt độ tối ưu để phát triển bình thường là 23- 28°C Nếu nhiệt độ trên 40°C thậm chí đến 45°C sẽ ảnh hưởng lớn đến

cây Trường hợp tương tự xảy ra nếu nhiệt độ xuống dưới 15°C Năng suất cây trồng sẽ giảm đáng kê

- Đối với cây trồng, nước là yếu tố rất quan trọng 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 tiến hành trong môi trường nước Thiếu hoặc thừa nước đều ảnh

hưởng xấu đến cây trồng Thiệt hại hàng năm do hạn hán gây ra rất lớn

trên thế giới, có thể làm mắt mùa, giảm đến trên 60% sản lượng

- Sâu dịch bệnh cũng là vấn dé rất nan giải cho các nước vùng nhiệt đới như nước ta, bệnh rầy nâu, bạc lá đối với lúa, bệnh sâu ăn quả đối với đậu tương, bệnh sâu đục thân đối với ngô đều gây thiệt hại nghiêm

trọng Không chỉ riêng đối với cây trồng trong quá trình phát triển cá thể,

15

mà ở giai đoạn hạt, các loại mọt, nắm mốc cũng hoành hành trong các kho chứa hạt giống gây ra thiệt hại không nhỏ

Hình 1.2: Một số loại mầm bệnh trên cay ca chua (theo Buchanan ef a/., 2000)

Mam bénh ở cây cà chua rất đa dạng (hình 1.2) Riêng nói về vi khuẩn đã có trên 100 loại vi khuẩn khác nhau ký sinh trên cây cà chua Tuy nhiên, chỉ có một phần nhỏ gây bệnh cho cây Một số bệnh chính có

thể kể đến như sau: Bệnh ở iá: bệnh phắn trắng do nắm; bệnh khám lá do

virus gây bệnh khám lá gây ra; Bệnh ở quả: bệnh nốt vi khuẩn; bệnh đốm

héo lụi; bệnh nắm than; Bệnh ở thân: bệnh khối u do vi khuẩn đất; Bệnh

ở rỄ: bệnh nốt sần rễ do tuyến trùng gây ra

1.2.3 Phản ứng của cây trồng

Các yếu tổ cực đoan như hiện tượng stress oxy hóa, nhiệt độ cao,

lạnh thường tác động lên lá Hạn, úng, mặn muối thường tác động lên

16

bộ rễ Các yếu tố cực đoan gây ra diện rộng những phản ứng của thực

vật, 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 Những biến đổi trong quá trình phát triển và trao đổi chất khi gặp các yếu tô cực đoan sẽ làm thay đổi sự biểu hiện của gen Điều đó bắt

đầu từ việc nhận biết tín hiệu xuất hiện các yếu tố cực đoan ở mức độ tế

bào, lan truyền tín hiệu này trong tế bào và tiếp sau đó, lan truyền khắp

cơ thể sinh vật (hình 1.3) Sự biểu hiện của gen phản ứng đối với các yếu

tố cực đoan thể hiện đầu tiên ở mức độ tế bào, sau đó, ở mức độ toàn cơ

thể, tiếp theo, ở sự thay đổi về sinh trưởng, phát triển và cuối cùng, làm ảnh hưởng đến khả năng tạo năng suất và chất lượng cây trồng

Sự biểu hiện của các gen phản ứng với các yếu tố cực đoan phụ thuộc vào khả năng nhận biết chúng Bằng chứng là tăng cường các chất điều khiển những phản ứng của cây trồng đối với các yêu tố cực đoan: ví

dụ như: xuất hiện abscisic acid (ABA), jasmonic acid (JA), ethylene, sau

17

đó, xuất hiện các phản ứng thứ cấp như xuất hiện ion Ca?" Mức độ biểu

hiện của một số gen tăng hắn lên, một số khác yếu hẳn đi Điều hòa việc biểu hiện các gen này khi gặp các yếu tổ cực đoan đang được tăng cường nghiên cứu ở các giai đoạn khác nhau: trước khi phiên mã, sau khi phiên mã Như vậy, khi gặp những yếu tố cực đoan đột ngột, thực vật phải

điều chỉnh, thích ứng với khí hậu thay đổi và điều kiện môi trường bắt lợi

để kéo dài khả năng tổn tại của chúng Ví dụ: Phản ứng của thực vật đối

vói hiện tượng nóng là tăng mức độ biểu hiện của một số gen mã hóa cho

protein sốc nhiét (Hsp - heat shock protein)

Dac tinh Dac tinh Phản ứng Kết quả

stress thuc vat

bộ chỉ gây thiệt hại cho một nhóm nhỏ, nhưng hạn hán kéo dài sẽ gây

thiệt hại cho nhiều loại cây trông trên một vùng rộng lớn, ảnh hưởng đến năng suât và chất lượng Ngoài ra, các cơ quan khác nhau, các mô tế bào khác nhau sẽ phản ứng không giống nhau Các loại thực vật khác nhau sẽ

có khả năng chống chịu khác nhau với các yếu tổ cực đoan phụ thuộc vào

bản chất di truyền từ bao thế hệ của chúng Vì vậy, có cây có thể chống

18

chịu được và tồn tại, có cây sẽ bị chết Ngay trong cùng một loài, các cá thể khác nhau cũng phản ứng ở các mức độ không hoàn toàn như nhau

1.2.4 Tính chống chịu ở thực vật

Sự chống chịu hoặc mẫn cảm đối với các yếu tố cực đoan phụ thuộc

vào đặc tính của loài, kiểu gen, các giai đoạn phát triển của thực vật Tính chống chịu là khả năng của thực vật ngăn ngừa thương tốn khi bị tác động bất lợi

Những nghiên cứu ở mức độ phân tử hiện tượng chống chịu ở thực

vật đã có những bước tiếp cận khác nhau trên nhiều loài cây trồng trong các giai đoạn phát triển khác nhau Những công trình ban đầu thường mang tính chất mô tả Dần dần người ta đi sâu vào bản chất phân tử: tách chiết và phân lập các gen mã hóa cho các chất có vai trò quan trọng trong quá trình này và nghiên cứu các chức năng của protein - sản phẩm biểu hiện của chúng Để nghiên cứu sâu về cơ chế phân tử của khả năng chống chịu đối với các điều kiện cực đoan, người ta thường sử dụng 3 cách tiếp cận sau:

(1) Nghiên cứu khảo nghiệm các hệ thống chống chịu như hạt Hạt có

khả năng chống chịu với nhiều điều kiện ngoại cảnh bất lợi để bảo

tồn và gìn giữ nòi giống qua nhiều thế hệ Vì vậy, nghiên cứu các loại protein trong hạt ở tất cả các giai đoạn hình thành, thành thục và

nảy mầm của hạt đều có ý nghĩa quan trọng trong việc phát hiện ra các cơ chế chống chịu ở thực vật

(2) Nghiên cứu phân tích các thể đột biến có khả năng chống chịu

(3) Nghiên cứu phân tích hiệu ứng của hạn hán, nóng, mặn lên các cây trồng nông nghiệp ở ngoài thiên nhiên

Qua hàng chục triệu năm tiến hóa, thực vật có thể thích nghỉ với

điều kiện môi trường bất lợi hoặc chống chịu được trong hoàn cảnh đó

Thẻ hiện rõ nhất là bằng sự biến đổi gen, xuất hiện thêm một số gen mới,

hoặc mất đi một số gen tạo nên các câu trúc lá thân, các enzyme va qua trình trao đổi chất đặc hiệu của chúng Ví dụ: các enzyme chịu nhiệt ở

các sinh vật sống trong suối nước nóng, vùng núi lửa

19

- Khả năng thích nghỉ: khi thực vật có thể biến đổi cho phù hợp với

khi hau: cay bach (cay van sam) 14 kim: chiu lanh gid Rau bina: điều chỉnh áp suất thẩm thấu trong lá

- Khả năng chống chịu: thường có hai dạng chống chịu: Khả năng

tránh được các điều kiện cực đoan: Cây hoa sao trên sa mạc là cây một năm, chúng chỉ mọc về mùa ẩm khi đợt mưa rào xuất hiện Khả năng chống chịu các điều kiện cực đoan tổn tại ở những cây chống chịu với

nóng, khô hạn trên sa mạc như cây xương rồng lớn: thân xanh, mọng

nước; cây có rễ xuyên sâu xuống mạch nước ngầm

Sau nhiều năm tiến hóa đẻ thích nghỉ với môi trường, ở vùng ôn đới

chủ yếu là các cây rụng lá vào mùa đông như sồi, hồ đào ; trên phương

Bắc là cây lá kim như cây bách, thông, lãnh sam, thiết sam Vùng sa

mạc rất khắc nghiệt, nhiệt độ ban ngày lên đến 54°C còn ban đêm xuống

đến mức 0°C, lượng mưa hàng năm chỉ có từ 2-3 mm làm hạn chế sự

phát triển của thực vật Hãn hữu ở vùng này có nơi có xương rồng mọc xen với bụi gai Thực vật ngắn ngày (một năm) thường phát triển theo hướng có nhiều hạt, hạt có khả năng nảy mầm theo các chu kỳ mưa khi

có đợt mưa rào

Dân số thế giới ngày càng tăng đòi hỏi cung cấp càng nhiều lương

thực và thực phẩm Các yếu tố cực đoan thường làm giảm năng suất cây

trồng từ 65-87% phụ thuộc vào từng loại cây (bảng 1.3) Những biện pháp canh tác, chọn giống chống chịu kinh điển đã được áp dụng và đã

có những tiến bộ nhất định, song còn nhiều hạn chế Công nghệ sinh học

ngày càng có tiềm năng cải thiện khả nang chong chiu cia cây trồng nhờ

sử dụng các tiến bộ về chọn dòng chống chịu; sử dụng việc lập bản đồ gen dựa trên các chỉ thị phân tử và kỹ thuật chuyên gen mong muốn vào thực vật Để khắc phục những yếu tế hạn chế đối với việc phát triển kỹ thuật chuyển gen, các nhà khoa học cần phân lập được gen, cải thiện

được khả năng chống chịu trên cơ sở hiểu đúng được cơ chế phân tử của

tính chống chịu cũng như phản ứng của cây trồng đối với những yếu tố cực đoan này

20

Bảng 1.3 Sản lượng trung bình và thiệt hại do các yếu tố cực đoan sinh

hoc va phi sinh hoc (theo Buchanan et al., 2000)

Cây trồng | Sản lượng | Sản lượng Thiệt hại do các yếu tố cực đoan

cao nhất | trung bình | sinh học Phi sinh học

Chúng ta đi sâu vào những yêu tố cực đoan chính là hạn, nóng,

stress oxy hóa, mầm bệnh và một số yếu tố khác như mặn muối, lạnh, úng và khả năng chống chịu của cây trồng trong các điều kiện bất lợi đó

Và đặc biệt là các nhóm protein ở thực vật liên quan đến tính chống chịu,

có chức năng ngăn ngừa, bảo vệ tế bào khỏi tác động của các yếu tố cực đoan khác nhau

1.3 PROTEIN LIÊN QUAN ĐÉN TÍNH CHÓNG CHỊU Ở THỰC

VAT

Bat ky thực vật nào phan ứng trước tác động của môi trường bất lợi đều sẽ tạo ra một số chất hormon hoặc chất kích thích, vi du nhu ABA để giúp cho cây hoạt hóa một loạt các quá trình sinh tổng hợp các protein và các chất khác ngăn ngừa tác động bất lợi và cây có thể thích ứng với điều kiện này Dựa vào khả năng chống chịu, tính chất và mức độ phản ứng

21

khác nhau của từng loài, người ta có thể chia các protein được sinh ra trong quá trình đó làm 2 loại :

- Các protein có chức năng chống chịu

- Các protein có chức năng điêu khiên sự biêu hiện gen và có thể có chức năng trong việc phản ứng đôi với các yếu tô cực đoan

1.3.1 Protein có chức năng chống chịu ở thực vật

Tùy trong từng điều kiện môi trường bất lợi khác nhau, thực vật sản sinh ra những loại protein có chức năng chống chịu khác nhau Ví dụ đối

với khô hạn, có thể biểu hiện những loại protein như: protein sốc nhiệt —

Hsp (heat shock protein), các môi giới phân tử (molecular chaperone), protein sinh ra một lượng lớn trong cuối quá trình hình thành phôi — protein LEA (late embryogenesis abundant), aquaporin (AQP) — protein kênh chuyển nước qua màng, các enzyme chuyển hóa proline, protein có chức năng vận chuyển, các enzyme loại độc tố, protein chống đông lạnh, protein gắn với mRNA, các enzyme chủ chốt trong sinh tổng hợp các chất điều hòa áp suất thẩm thấu, các enzyme tham gia loại bỏ các gốc tự

do như superoxide dismutase (SOD) và các loại protease khác nhau Đối với từng loại bệnh đo nắm, vi khuẩn, tuyến trùng đều có các gen khang bénh ~ gen R (resistance gene) m4 héa cho protein khang bénh

(protein R) ở cây và các gen không nhiễm bệnh gen Avir (avirulence

gene) mã hóa cho protein không gây nhiễm bệnh (protein Avir) ở mầm

bệnh cùng đồng thời chịu trách nhiệm kháng bệnh cho cây trồng

1.3.2 Protein điều khiến biểu hiện các gen liên quan đến tính chống chịu ở thực vật

Để biểu hiện bắt kỳ gen nào cũng đều cần hoạt hóa promoter của

chúng Hệ thông tín hiệu nhận biết được từng loại yếu tố cực đoan khác nhau, mức độ khốc liệt, thời gian tác động rất phức tạp Trong đó, bao gồm nhiều chất thụ cảm, truyền tín hiệu khác nhau mang nguồn gốc

protein hoặc là các chất khác Đó là các yếu tố phiên ma - TF

(transcription factor) nhu MYB, MYC, cdc enzyme kinase nhw protein

22

kinase hoạt hóa phân bào — MAP kinase (mitogen activated protein

kinase) làm chức năng điều hòa sự phiên mã gen trong tế bào

Đặc điểm của từng loại protein này sẽ được mô tả trong các phần cụ

thể tiếp theo

2

CHƯƠNG 2

PROTEIN THỰC VẬT

Protein trong thực vật bao gồm rất nhiều nhóm, đặc trưng cho từng

cơ quan khác nhau: protein hạt, protein lá, protein ré, protein hoa

Trong số đó, được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất là protein hạt

Hạt ngũ cốc, hạt các loại đậu và cây trồng nói chung đã đi vào cuộc sống của con người như một phần không thé thiếu được Đó chính

là nguồn cung cấp lương thực, thực phẩm cho người, thức ăn cho chăn nuôi và nguyên liệu quan trọng cho nhiều ngành công nghiệp Về mặt

khoa học, hạt không những là một cơ thể nguyên vẹn có chức năng giữ gìn và duy trì noi giống, mà còn là mô hình lý tưởng để nghiên cứu về

điều hòa hoạt động gen và sự tương tác giữa gen và môi trường bao gồm

cơ chế chống chịu của cây trước điều kiện môi trường khắc nghiệt Protein, sản phẩm biểu hiện của gen, là thành phân quan trọng nhất, đảm bảo cho hạt thực hiện được những chức năng kể trên Những kiến thức hiểu biết cơ bản về hạt không những chỉ đánh giá chất lượng lương thực, thực phẩm mà còn mở ra những hướng nghiên cứu về tính chống chịu toàn diện ở thực vật

Cây trồng dự trữ protein trong hạt để cung cấp định dưỡng cho cây non trong quá trình nay mầm sau nay Qua trinh tổng hợp, vi tiền xử lý, tạo cầu trúc không gian đúng, vận chuyển loại protein này đến bào quan

dự trữ cuối cùng, cấu trúc của từng loại protein cũng như phân giải chúng trong quá trình nảy mam của hạt rất phức tạp và khác nhau giữa cây hai

lá mầm, cây một lá mầm và thậm chí trong từng loài

25

Hàm lượng protein hạt dao động trong khoảng từ 10% (ở cây ngũ

cốc) cho đến 40-50% (ở cây đậu đỗ) Chúng bao gồm nhiều loại protein,

nhưng có thể chia làm 3 loại chính: protein cấu trúc, protein có hoạt tính sinh học và protein dự trữ, trong đó, chiếm phần lớn là protein dự trữ

Mỗi loại hạt có một loại protein đặc thù dự trữ ở một lượng lớn và đặc

trưng cho loại hạt đó về hàm lượng protein, thành phần và hàm lượng

amino acid không thay thế như legumin, vicilin ở cây họ đậu; zein ở

ngô Nhóm protein có hoạt tính sinh học trong hạt bao gồm các protease, amylase, lypoxygenase, protein trc ché protease, protein ức chế

amylase và lectin Ngoài ra, phải kể đến một số nhóm protein khác liên

quan đến tính chống chịu của hạt như Hsp, protein LEA và các enzyme

tham gia loại bỏ các dạng oxy hoạt hóa-ROS (reactive oxygene species), các gốc tự do gây độc cho tế bào

Trong phần này, chủ yếu tập trung vào các nhóm protein thực vật

như protein hạt, cụ thể là các protein dự trữ, các protease và sự phân giải protein dự trữ trong quá trình nay mam cia hat Protein LEA, Hsp va cac

enzyme chống oxy hóa không chỉ có trong hạt mà còn tìm thấy ở những

cơ quan khác của cây liên quan đến tính chịu hạn, tính chịu nóng, chống

chịu oxy hóa, vì vậy, sẽ được trình bày cụ thể tương ứng trong mục 3.2 (Protein LEA), mục 4.2 (Các nhóm protein sốc nhiệt) và mục 6.3 (Các

enzyme chống oxy hóa) của cuốn sách này

2.1 PROTEIN DU TRU

2.1.1 Đặc điểm protein dự trữ của hạt

Mặc dù protein dự trữ có nhiều loại và cấu trúc khác nhau nhưng

chúng vẫn có một số đặc tính chung:

(1) Protein dự trữ được tông hợp ở một lượng lớn trong mô tế bào đặc biệt (lá mầm) ở giai đoạn nhất định của quá trình phát triển của cây

(thời kỳ hình thành hạt) như một nguồn dự trữ amino acid và nitơ cho

quá trình nây mâm của hạt Khác với protein hạt, protein củ có thể

tông hợp ngay trong mô sinh dưỡng Giá trị của các nhóm protein hạt

khác nhau phụ thuộc vào hàm lượng amino acid không thay thế như

26

các amino acid có gốc SH: Cys và Met Protein dự trữ không có hoạt

tính enzyme và hoạt tính ức chế enzyme

(2) Protein hạt dự trữ trong bào quan gọi là hạt protein thoặc hạt

aleuron) Nguồc gốc phát sinh của hạt này cho đến nay vẫn còn là

vấn đề đang được tiếp tục nghiên cứu

(3) Tất cả các tiểu phần protein hạt đều là hỗn hợp nhiều thành phần

ngay trong mỗi loài, chúng được nhiều gen mã hóa và trong một vài

trường hợp tiền chất protein dự trữ còn chịu sự biến đổi nhờ các enzyme thủy phân và gắn thêm các gốc glycosyl

(4) Protein dự trữ bị phân giải rất nhanh trong quá trình nây mầm Các

loại protein khác trong hạt cũng bị phân giải, nhưng chỉ sau khi đã

phân giải hết protein dự trữ

Protein dự trữ là loại protein được nghiên cứu sớm nhất do có hàm

lượng cao và có giá trị kinh tế cao Theo tính hòa tan, protein có thể chia

thành các nhóm: albumin — tan trong nudc, globulin — tan trong dung dịch muối, prolamin — tan trong dung dich ethanol, glutelin — tan trong dung dich acid yêu hoặc kiềm yếu Còn theo hệ số lắng trên ly tâm siêu

tốc, protein dự trữ chia thành 3 loại: 2S, 7S va 11S

Các nhóm protein dự trữ chính trong thực vật được mô tả sau đây 2.1.2 Albumin 2S

Albumin 2S được biết đến nhờ hệ số lắng trên ly tâm siêu tốc Ngày

này, các nhà khoa học đã xác định được hàng chục trình tự albumin 2Sở nhiều loại cây khác nhau Chúng phân bố rộng rãi trong cây hai lá mầm đặc biệt ở Arabidopsis, cây cải dầu, cây hoa hướng dương, đậu tương, cà chua Ở cây cải dầu (Brasica napus), protein — napin, được cấu tạo từ

2 chuỗi polypeptide với khối lượng phân tử là 9kDa (chuỗi lớn) và 4kDa (chuỗi nhỏ) Chúng liên kết với nhau bằng những cau néi disulfide Albumin 2S được tổng hợp từ mRNA đơn trên lưới nội bào ở dạng tiền chất protein, sau đó, chúng được chuyển về bào quan dự trữ, bị biến đổi bằng cách cắt đi đoạn peptide ở giữa và hai đoạn peptide ở cả đầu N và đầu C để thành protein thuần thục (hình 2.1) Trong trường hợp

27

Arabidopsis, có ít nhất 5 isoform từ AT2S1 đến AT2S5 được xác định

Protein dạng này ở cà chua — Lec2SA - có 4 isoform với khối lượng

phân tử chuỗi nhỏ là 4 kDa, còn chuỗi lớn là 8 kDa Còn ở cây hoa hướng đương, nhóm albumin 2§ gồm có 8 thành viên, trong đó, SFA8§

giàu Met và Cys (16 gốc Met và 8 gốc Cys)

2S Albumin

Hình 2.1: Quá trình vi tiền xử lý albumin2S trong lưới nội bào: 1 Loại bỏ peptide tín hiệu — tín hiệu được chuyển protein vào lưới nội bào; 2 Tạo cầu nối disulfide 3 Loại bỏ các đoạn peptide nối giữa 2 tiểu đơn vị để tạo thành

albumin2S thành thục (theo Muntz, 2003)

Mặc dù khác nhau về cầu trúc các tiểu đơn vị và cách tổng hợp,

nhưng tất cả các albumin 2S đều là protein dạng hình cầu với các gốc

Cys bao thi Thông tin về cấu trúc 3 chiều còn hạn chế: albumin 2S của

cây thầu dầu có xoắn œ Narbonin — protein 2S ở đậu tằm cũng đã được

phân lập và nghiên cứu cấu trúc

Trong các albumin 2§, một số protein như Ara-h2 của cây lạc,

Anao2 và Ana-o3 của cây đào lộn hột, Ses-i4 và Ses-i5 của vừng thuộc

nhóm gây dị ứng Ứng dụng chủ yếu cua albumin 2S trong kỹ thuật gen

là tạo ra cây trông chuyển gen có hàm lượng Met và Cys cao

28

2.1.3 Globulin

Globulin là nhóm protein dự trữ phân bố rộng rãi không chỉ ở cây

hai lá mầm mà còn ở một số cây một lá mam va cay hat tran Ching chia

thành hai nhóm theo hệ số lắng trên ly tâm siêu tốc: globulin75 dạng vicilin va globulin11S dạng legumin Cả hai nhóm này đều có cấu trúc

không giống nhau ở các loài khác nhau và trải qua quá trình thuần thục

khác nhau Chúng đều nghèo Cys và Met, mặc dù glubulin115 có hàm

luong cdc amino acid nay cao hon globulin7S Globulin duge nghiên cứu sâu ở các cây họ đậu: đậu Hà Lan (Pisưm sativum), dau tuong (Glycine

max), dau tam (Vicia faba), dau tring (Phaseolus vulgais) va dé dang phat hién bang dién di trén gel polyacrylamide cé chia SDS (SDS PAGE) (hinh 2.2) Mac du 1a nguồn dinh dưỡng protein quý giá nhất, trên thế giới vẫn tiếp tục nghiên cứu để tăng cường chất lượng globulin bằng công nghệ gen

2.1.3.1 Globulin11S

Globulin115 (legumin) là protein dự trữ chính ở cây đậu đỗ, các cây hai lá mầm khác và một số cây ngũ cốc như lúa nước và yén mạch Legumin có khối lượng phân tử khoảng 300-400 kDa, có dạng hình đĩa

với kích thước đường kính 145 Ả và độ dày 90 Ả Chúng có hệ số lắng

trên ly tâm siêu tốc từ 11S-14,9S phụ thuộc vào từng loài khác nhau Protein đã thuần thuc & dang hexamer, gom hai vòng trimer chồng lên nhau và chéo nhau một góc 60” Chúng gắn với nhau bằng lực liên kết ion và lién két hydro Cac hexamer gắn với nhau bằng liên kết ky nước Legumin chứa 6 cặp tiểu đơn vị không cân đối Những cặp đó có tiêu đơn

vị acid với khôi lượng phân tử 40 kDa và tiểu đơn vị kiềm - 20 kDa được liên kết với nhau bằng cầu nối disulfide Mỗi cặp tiểu đơn vị đó được tổng hợp từ cùng tiền chất, sau khi hình thành cấu nối disulfide trong phân tử, tiền chất đó bị cắt bằng protease tại vị trí Asn-Gly thành hai tiêu đơn vị với kích thước khác nhau Ngoài globulin11§ của lupin, legumin thường không gắn với gốc glycosyl Legumin là sản phẩm đa gen và

được nghiên cứu kỹ để cải biến trong chọn tạo giống cây trồng

29