Khả năng điều chỉnh áp suất thấm thấu là một đặc tính rất quan trọng của tế bào khi bị mất nước do lạnh, muối hoặc hạn. Những thực vật sống trong môi trường thiếu nước bị mất cân bằng về áp suất thâm thấu trong tế bào đòi hỏi phải có khả năng chống chịu lại được điều kiện khắc nghiệt đó. Tồn tại 2 cơ chế khắc phục sự bất lợi này:
~- Khả năng thích nghỉ đặc biệt của cấu trúc và hình thái rễ, lá để tránh cho tế bào khỏi mất nước.
- Khả năng chịu mắt nước dựa trên sự thay đổi tỉnh vi trong chuyên hóa tế bào dẫn đến sự xuất hiện và tích lũy các chất hòa tan, protein, amino acid đặc hiệu. Hiện tượng này thường diễn ra rất nhanh khi bị mắt nước. Sự tích lãy các chất này không làm ảnh hưởng đến chức năng các
110
hệ enzyme trong tế bảo. Các chất đó bao gồm một số nhóm như sau: ion KỲ; amino acid: proline; estoine; các chất đường: glucose, sucrose, fructan, manitol, pinitol. Ngoài ra còn có các chat: glycine betaine, B- alanine betaine. Các chất này thường có 2 chức năng. Lượng chứa của chúng trong tế bào sẽ điều chỉnh áp suất thẩm thấu bằng tác động tổng thể mà chúng có khả năng giữ và lấy nước vào tế bào hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của lon Na”. Ngoài ra, chúng có thể thay thể vị trí nước nơi xảy ra các phản ứng hóa sinh, tương tác với lipid hoặc protein trong màng, ngăn chặn sự phá hủy của màng và các phức protein.
Một số các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu được trình bay sau đây.
3.5.1. Glucose va cac oligasaccharide
Glucose, fructose tăng lên một lượng lớn trong tế bào khi gặp yếu tố cực đoan. Chúng tương tác với màng tế bào, hình thành cầu nối hydro giữa gốc hydroxyl của glucose với nhém phospholipid. Bang cach nay chúng thay thể vị trí nước trong màng tế bào. Sự có mặt của chúng trong nguyên sinh chất còn có khả năng bảo vệ các phức enzyme khác. Chức năng chính của chúng là ngăn chặn sự thay đổi và tăng cường áp suất thầm thấu, ôn định pH cho tế bào. Trong các loại polysaccharide, glucan (tỉnh bột) có khả năng chồng chịu yéu nhất, fructan (polyfructose) trung bình, họ raffinose (cấu tạo từ ba gốc đường đơn: glucose-galacrose- glucose) la co kha nang tết nhất. Khi gặp hạn, các polysaccharide nhanh chóng thủy phân thành monosaccharide, góp phần điều chỉnh áp suất thẩm thấu, giúp tế bào vượt qua trạng thái này. Sau đó, các monosaccharide lại chuyển về trạng thái polysaccharide. Raffinose đặc trưng cho các thực vật trên cạn. Trong mô tế bào đều có một lượng
raffinose nhất định, nhất là trong hạt. Tù lệ sucrose:raffinosc = 20:1 là tỉ
lệ thích hợp nhất trong hạt và trong các mô chống chịu hạn. Raffinose ngăn không cho sucrose bị tỉnh thê hóa.
111
Màng lipid kép khô Lục lăng ngược
+ HH] .A\ẽZ
— fWWỆỆ. ĐĂM sân
”x `
sucrose
Mang lipid kép khô +sucrose
Hình 3.8: Sơ đồ biểu diễn sự thay đổi cấu trúc màng lipid khi bị mất nước:
1. Trang thai bình thường; 2. Trạng thái khi bị mắt nước; 3. Trạng thái bị mat nước nhưng cú sự điều chỉnh của sucrose (theo MeKersie ứ ai, 1994).
Trehalose cấu tạo từ 2 phân tử glucose (œ-D-glucopyranosyl-1,1-œ- D-glucopyranoside). Phân tử kép này có trong nhiều loài khác nhau: vi khuẩn, nắm men, nắm, thực vật bậc thấp và thực vật bậc cao cũng như sâu bọ côn trùng. Trehalose có chức năng chống chịu mắt nước trong cơ thể, nhất là điều chỉnh áp suất thẩm thấu. Trong vi khuẩn và thực vật, trehalose được tổng hợp thông qua hai bước: bước !: enzyme trehalose- 6-phosphate synthase (TPS) xuc tac cho phản ứng tổng hợp trehalose-6- phosphate tir glucose-6-phosphate va urdine diphosphate (UDP)-glucose;
bude 2: enzyme trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) xtc tac cho phản ứng loại gốc P khỏi trehalose-6-phosphate để tạo thành trehalose. Ở nắm men tổn tại cả hai enzyme TPS và TPP. Chúng đều là thành phần trong phức hệ protein bao gồm thêm 2 tiểu đơn vị nữa là TBS3 và TSLI làm chức năng điều hòa. Còn ở thực vật bậc cao và cây có mạch, tồn tại nhiều dạng các enzyme nay: Arabidopsis cé dén 11 ‘loai TPS va 10 loai TPP; còn ở lúa nước tìm thấy 9 loại TPS và 9 loại7TPP khác nhau.
112
Trong thực vật, sinh tổng hợp trehalose dường như liên quan với sinh tổng hợp carbohydrate dự trữ, thúc đây quá trình chuyển hóa các enzyme tổng hợp tỉnh bột cũng như tổng hợp fructan. Trong quá trình phát triển cá thể, enzyme sinh téng hop trehalose AtTPS1 déng vai trò nhất định ở thời điểm chuyên sang giai đoạn ra hoa của cây Arabidopsis, AtTPS6 ảnh hưởng đến sự phân cành và số lượng khí không trên lá.
Các thử nghiệm biến nạp gen mã hóa cho TPS, TPP tv vi khuẩn, nấm men vào cây thuốc lá, Arabidopsis, khoai tây, lúa nước, sử dụng các promoter (CaMV355, RUBISCO, rd29 va ubiquitin) cho thấy cây có khả năng chéng chịu mất nước tuy khả năng tích lũy trehalose còn thấp.
Trong một số trường hợp, cây không chỉ chống chịu hạn, mà còn khả năng chống chịu độ mặn cao, nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao. Các gen TPS ở Arabidopsis và TPP ở lúa nước cũng được phân lập và chuyển vào cây mô hình nhưng kết quả còn hạn chế.
Fructan là phân tử polyfructose có ở trong nhiều loại thực vật như nguồn carbon dự trữ. Chúng được tổng hợp từ sucrose và trữ trong các không bào dự trữ cũng như ở dạng hòa tan tự do. Mirc dé polymer hóa của fructan từ 10-200 lần. Những giống có tích lũy fructan cao đều có khả năng điều chỉnh áp suất thâm thấu khi gặp điều kiện cực đoan như hạn và lạnh. Đó chính là khả năng chuyển hóa một cách nhanh chóng fructan thành các sản phẩm có độ polymer hóa thấp hơn. Mức độ polymer hóa trung bình của fructan suy yếu dần với sự mất nước và giảm nhiệt độ.
3.5.2. Proline
Proline được tích lũy trong cây khi gặp điều kiện bất lợi như mặn, hạn, nhiệt độ cao hoặc thấp, kim loại nặng, bị nhiễm bệnh, thiếu dinh dưỡng, ô nhiễm môi trường và tia UV. Nong độ proline khác nhau ở các loài và khi gặp hạn có thể tăng gấp 100 lần so với mức bình thường.
Proline như tín hiệu phản ứng của cây trồng đối với các yếu tố cực đoan của môi trường. Ở thực vật tồn tại những bằng chứng về nhiều cách tong hợp proline (hình 3.9).
113
Theo cách thứ nhất, proline được tổng hợp từ L-glutamic acid qua A'- pyrroline-5- carboxylate (P5C). Phan ứng được xúc tác bằng 2 enzyme: PSC synthetase (P5CS) và P5C reductase (PSCR). P5CS là enzyme có hai chức năng: chúng co hoat tinh kinase (y-glutamyl kinase) xúc tác phản ứng gắn gốc P từ ATP vào glutamate dé tạo thành L-glutamyl-y-phosphate. Chức năng thứ hai là dehydrogenase để loại - nhớm P của L-glutamyl+y-phosphate và tạo thành L-glutamyl-y- semialdehyde (GSA) với sự tham gia của NADPH. Ở Arabidopsis quá trình tổng hợp và trao đổi chất của proline được điều khiển bởi sự mất:
nước. P5CS là chịu sự điều khiển do hạn, do mặn và ABA. Lượng mRNA của P5CS tăng lên đáng kể và đưa lượng proline tự do tăng tir 4-8
lần trong vòng 24 giờ. Còn P5CR thì hau như không bị tác động. Ngoài
ra, sự chuyên vi tri tir proline vé P5C do proline dehydrogenase (ProDH) xúc tác. Enzyme này cũng do sự mắt nước điều khiển.
Không có stress PSC ——————>GSA
yO T
Ornithine-d- a
, aminotransferase L- Ornithine
P2CR ft
P2C 4 a-keto-d -
aminovalerate Ornithine-a- aminotransferase Hình 3.9: Sơ đồ sinh tổng hợp proline trong tế bào: PSC- AI. pyrroline-5- carboxylate, P5CS- PSC synthetase, PSCR- P5C reductase; GSA-Glutamic y- semialdehyde; P2C - A'- pyrroline-2- carboxylate; P2CR- P2C reductase (theo Buchanan et ai., 2000).
114
Theo cách thứ hai, proline được tổng hợp từ L-ornithine qua œ-keto-y-aminovalerate. Chất này ở dạng mạch thẳng nên có thể chuyên sang dạng mạch vòng Al pyrroline-2-carboxylate (P2C) mét cach dé dang. Qua trinh nay do hai enzyme tham gia điều khiển: ornithine-œ- aminotransferase và P2C reductase.
Ngoài ra, theo cách khác, Ornithine-y-aminotransferase xúc tác phản ứng tạo GSA tir L-omithine. Khác với P5CS§, Omithine-y- aminotransferase bị cảm ứng bởi nồng độ phân hữu cơ trong đất có chứa nitơ mà không bị cảm ứng bởi các yếu tố cực đoan. Như vậy, sử dụng L-ornithine hay glutamate để tổng hợp proline còn phụ thuộc vào các điều kiện môi trường khác nhau.
Proline tự do trong tế bào có nhiều chức năng khác nhau. Ngoài chức năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu, proline còn là nguồn năng
lượng, là chất khử gốc tự do và bảo vệ phức protein khỏi bị biến tính.