PROTEIN VÀ TÍNH CHỊU HẠN
3.1. HẠN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA HẠN LÊN THỰC VẬT
3.1.4. Cơ chế phân tử liên quan đến tính chịu hạn
Những nghiên cứu ở mức độ phân tử về hiện tượng khô hạn ở thực vật đã có những bước tiếp cận khác nhau trên nhiều loài cây trồng trong các giai đoạn phát triển khác nhau, càng ngày càng 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 các chức năng của chúng.
Đê nghiên cứu cơ chế phân tử của sự chịu nóng hạn, cũng như đôi với các yêu tô cực đoan khác, người ta thường sử dụng các cách tiép cận như sau:
(1) Nghiên cứu khảo nghiệm các hệ thống chống chịu như hạt, sự phục
hồi của cây ở điều kiện hạn.
(2) Nghiên cứu phân tích các thé dot biến có khả năng chống chịu hạn.
(3) Nghiên cứu phân tích hiệu ứng của hạn hán lên các cây trồng nông nghiệp ở ngoài thiên nhiên (những dot han kéo dai).
Sự phản ứng của cơ thể sống ở tất cả các mức độ khác nhau trước tác động của yêu tố cực đoan là vấn đề được quan tâm nghiên cứu đầu
tiên. Sự phản ứng đâu tiên của tế bào khi mất nước là xuất hiện ABA.
ABA là hormon sinh trưởng được phát hiện vào năm 1960 ở cây bông.
Mở Đóng.
Hình 3.1: Cấu tạo khí không từ hai tế bào bảo vệ và hai trạng thái mở và đóng của khí không (theo Buchanan e/ al., 2000).
Khi lá bắt đầu héo vì hạn, điều quan trọng nhất là khí không phải đóng lại để tránh mất nước (hình 3.1). ABA chính là tín hiệu trong điều kiện mắt nước này. Khi có tác động của hạn, tế bào thịt lá đang bị héo dần sẽ
§2
nhanh chóng tổng hợp và chiết ra ABA. Sau đó, ABA lan tỏa sang tế bào bảo vệ có tính cảm quang của khí khổng và làm tăng nồng độ ion Ca”, thúc đây quá trình giải phóng ion K”, CI” làm giảm nồng độ các chất điều hòa áp suất thâm thấu, giải phóng bớt nước khỏi tế bào và khí khổng đóng lại. Trong trường hợp này, các gen đặc hiệu được biểu hiện, một loạt các chất được tổng hợp mới trong tế bao. Nhóm các gen phản ứng với ABA gọi chung tên là RAB (responsive to ABA).
Những yếu tố cực đoan khác nhau (hạn, mặn, lạnh) nhưng đều gây ra sự mất nước trong tế bào, có thể gây ra những tín hiệu như nhau và có nhiều cách nhận biết và truyền tín hiệu. 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 của sự phát triển, đạng đặc thù của các cơ quan hoặc tế bào và phần ngoại vi của chúng. Khi thực vật nào phản ứng trước tác động của môi trường bất lợi, chúng sẽ tạo ra một số chất hormon hoặc chất kích thích để giúp cho cây có khả năng thích ứng. Dựa vào khả năng chống chịu, tính chất và mức độ phản ứng khác nhau của từng loài, các protein đó được chia làm 2 loại:
- Các protein có chức năng chống chịu hạn.
- Các protein có chức năng điều khiển sự biểu hiện gen và có thê có chức năng trong việc phản ứng đôi với tình trạng hạn.
Về cơ chế phân tử của tính chịu hạn đi vào 2 hướng chính:
- Khả năng bảo vệ của tế bào khói tác động của hạn: Nghiên cứu sự biểu hiện và chức năng của các chất và các gen tương ứng liên quan đến sự bảo vệ các phức enzyme, các cấu trúc trong tế bào, đồng thời đào thải các chất bị biến tính có khả năng gây độc cho tế bào khi gặp yếu tô cực đoan. Những nhóm chất được đặc biệt quan tâm đến là protein sốc nhiệt, trong đó, có các chất môi giới phân tử, ubiquitin, protease. Nhóm môi giới phân tử tham gia vào tạo cầu trúc đúng cho protein mới tổng hợp, sửa chữa và tạo cấu trúc đúng cho protein bị biến tính đo tác động của khô hạn. Protein LEA — protein tập trung ở lượng lớn trong cuối quá trình phát triển của hạt, tham gia vào bảo vệ màng tế bào, cô lập ion và 83
ổn định pH tế bào. Superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT)... có chức năng loại bỏ gốc tự do phát sinh khi gặp điều kiện hạn.
- Khả năng điều chỉnh áp suất thẩm thấu: Nghiên cứu các chất và các gen tương ứng có khả năng tạo áp suất thẩm thấu cao trong tế bào để cạnh tranh nước với môi trường xung quanh. Về phương diện này những nhóm chất được đặc biệt chú ý đến là: ion K”; amino acid: proline;
estoine; các chất đường: glucose, sucrose, fructan, manitol, pinitol. Ngoài ra còn có các chat: glycine betaine, B-alanine betaine.
Phần lớn các gen kể trên đều thuộc vào nhóm một: các gen có chức năng chống chịu hạn. Tính chịu hạn của cây trồng được hình thành trong quá trình tiến hóa tự nhiên dưới tác động của điều kiện ngoại cảnh - hạn
hán. Đối với bất kỳ điều kiện bất lợi nào của điều kiện tự nhiên mà ở đó
sự sống còn có thể tồn tại và phát triển được thì sẽ phải có những kiểu gen thích ứng có khả năng chống chịu được ngoại cảnh bất lợi đó.
Nghiên cứu về tính chịu hạn về mặt sinh lý, sinh hóa, cấu trúc tế bào,
người ta nhận thấy một loạt những biến đổi sâu sắc ở tất cả các mức độ
khác nhau, trong các giai đoạn phát triển khác nhau. Điều đó chứng tỏ
tính chống chịu là một hệ đa gen, do rất nhiều gen quyết định, biểu hiện
trong các giai đoạn phát triển khác nhau của cây.
Ngày nay, trên thực tế vẫn chưa tìm được gen thực sự quyết định tính chịu hạn, mà mới chỉ tìm thấy các gen liên quan đến tính chịu hạn.
Các gen chịu hạn của những cây hạn sinh lý vẫn là vấn đề nghiên cứu lý
thú đôi với các nhà khoa học.
Nhóm 1 — Nhóm protein có chức năng chịu hạn bao gồm protein môi giới phân tử, protein LEA, aquaporin — protein kênh chuyển nước qua màng, các loại carbohydrate, các enzyme sinh tổng hợp và chuyển hóa proline, các enzyme giải độc, Osmotin, protein chéng lạnh giá,
protein gan voi mRNA, các enzyme chi chét tổng hợp các chất điều hòa áp suất thâm thâu và các loại protease khác nhau.
Protein LEA, protein môi giới phân tử và protein gắn với mRNA đã
được nghiên cứu về mặt hóa sinh và có chức năng tham gia bảo vệ các 84
cấu trúc đại phân tử như các enzyme, lipid và mRNA khỏi bị mất nước.
Proline, glycine betaine và các nhóm đường thực hiện chức năng như các chất điều chỉnh áp suất thẩm thấu và bảo vệ tế bào khỏi bị mất nước. Một số enzyme trong quá trình này đã được phân lập và phân tích về mặt sinh hóa. Protein chuyển nước qua màng tế bào, chất chuyển các chất đường đơn và proline được xem như có chức năng chuyển nước, proline, chất đường đơn qua màng nguyên sinh chất và màng không bào để điều chỉnh áp suất thâm thấu khi gặp yếu tố cực đoan. Những enzyme giải độc như glutathione S-transferase, SOD... tham gia vào quá trình bảo vệ tế bào khỏi bị oxy hóa. Protease bao gồm thiol protease, protease Clp và ubiquitin cần cho sự chuyên hóa protein và các amino acid.
Nhóm 2 - Nhóm protein có chức năng điều khiển sự biểu hiện gen và có thể có chức năng trong việc phản ứng đối với tình trạng hạn như protein kinase, yếu tố phiên mã (TF) và các enzyme trong chuyển hóa phospholipid. TF là các protein có chứa motif gắn với DNA, ví dụ như bZIP, MYB, MYC, EREBP/AP2 và dấu Zn... Chúng được hoạt hóa bởi tác động của các yếu tô cực đoan. Tiếp theo đó, chúng có vai trò điều hòa các gen chức năng dưới tác động của các yếu tố cực đoan. Protein kinase như MAP kinase, calcium dependent protein kinase (CDPK), được hoạt hóa hoặc điều hòa bởi tác động của điều kiện khô hạn. Protein kinase hoặc phosphatase có thể tham gia cải biến (hoặc sửa đổi) những protein chức năng hoặc protein điều hòa mà có tham gia vào chu trình truyền tín
hiệu khi gặp han. Phospholipid như inosiol-l,4,5 -triphosphate, diacylglycerol va phosphatidic acid cũng như các enzyme chuyển hóa trong quá trình này có thể tham gia vào quá trình báo hiệu gặp hạn ở thực vật.
Các nghiên cứu cho thay, dé phan ứng với các hiện tượng yếu tố cực đoan khác nhau như hạn, lạnh, muối cao, thực vật có thể tổng hợp cùng một số nhóm protein cùng có chức năng bảo vệ tế bào, loại bỏ các chất gây độc cho tế bào, tái tạo cấu trúc không gian cho protein bị biến tính. Phụ thuộc vào sự đặc thù của các nhóm protein cũng như sự phát hiện ra chúng lần đầu tiên, một số nhóm protein chinh nhu protein LEA, aquaporin va cac enzyme chuyên hóa các chất điều hòa áp suất thầm
§5
thấu và khả năng điều khiển biểu hiện các gen chịu hạn sẽ được phân tích sau đây. Còn các nhóm Hsp, protein môi giới phân tử và các protein liên quan đến sự phân giải protein sẽ được trình bày trong chương 4 (Protein và tính chịu nóng). Các protein tham gia vào quá trình loại bỏ các gốc tự do sẽ được trình bày trong chương 6 (Protein và tính chống chịu oxy hóa).