1.2. Gen codA mã hóa choline oxydase
1.2.3. Cây trồng chuyển gen sinh tổng hợp glycine betain tăng cường khả năng chống chịu điều kiện môi trường bất lợi
Với những hiểu biết sâu sắc về con đường sinh tổng hợp GB ở sinh vật, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực công nghệ gen, đặc biệt là kỹ thuật tạo cây trồng biến đổi gen. Các nhà khoa học đã phân lập được các gen: codA (COD), COX, BADH, betA (CDH), CMO, GSMT và SDMT từ nhiều nguồn khác nhau, mã hóa cho các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng hợp GB. Các gen này được thiết kế với các promoter biểu hiện đặc hiệu, mạnh và chuyển thành công vào nhiều loài cây trồng, các loài cây trồng biển đổi các gen đã được phân tích có sự tích lũy GB dẫn đến tăng cường được khả năng chống chịu điều kiện bất lợi của môi trường như mặc, muối, khô hạn, lạnh, băng giá, nhiệt độ cao và tác nhân oxy hóa [11].
1.2.3.1. Cây trồng chuyển gen tổng hợp glycine betain tăng cường khả năng chống chịu mặn
Độ mặn cao gây ra sự mất cân bằng ion, gây độc hại cho tế bào chất và tăng áp lực thẩm thấu của tế bào [46]. Trong nhiều loài thực vật, GB được tích lũy khi phản ứng với stress muối [36]. Nghiên cứu sinh lý học đã chứng minh rằng mức độ tích lũy GB tương quan với mức độ chịu mặn [37]. Trong vài năm gần đây, một số loài thực vật đã được chuyển gen liên quan đến con đường sinh tổng hợp GB. Mặc dù sự tích lũy GB, nhưng các cây trồng chuyển gen cho thấy đã cải thiện được khả năng chống chịu với điều kiện stress muối [40]. Các loài thực vật chuyển gen codA, bao gồm lúa, hồng Nhật Bản, cà chua, và cải bẹ, cho thấy sự tích lũy GB tương quan với khả năng chống chịu điều kiện môi trường bị stress muối cao [13].
1.2.3.2. Cây trồng chuyển gen tổng hợp glycine betain tăng cường khả năng chống chịu khô hạn
Thiếu nước hoặc hạn hán là một trong những hạn chế nghiêm trọng nhất của môi trường đến sản xuất nông nghiệp. Những nghiên cứu gần đây đã tiết lộ rằng,
ứng dụng GB ngoại sinh và kỹ thuật di truyền, chuyển gen tham gia sinh tổng hợp GB đều tăng cường khả năng chịu hạn của cây trồng. Các cây biến đổi gen tích lũy hàm lượng GB lên đến 2,3-2,9 lần cao hơn so với các cây đối chứng không chuyển và cho thấy khả năng chịu hạn của cây chuyển gen cao hơn hẳn so với cây không chuyển gen từ giai đoạn cây con đến giai đoạn cây ra hoa. Hơn nữa, một vài thí nghiệm cho thấy những tác động tích của việc ứng dụng GB ngoại sinh trên các loài thực vật bị stress về nước. Ứng dụng GB ngoại sinh cải thiện tình trạng stress nước, kết quả sản xuất sinh khối tăng lên trong các loài thực vật này [11].
1.2.3.3. Cây trồng chuyển gen tổng hợp glycine betaine tăng cường khả năng chống chịu nhiệt độ thấp
Nhiệt độ thấp là một yếu tố môi trường giới hạn phân bố địa lý và mùa sinh trưởng của nhiều loài thực vật và thường ảnh hưởng xấu đến chất lượng cây trồng và năng suất [44]. Các tác hại của stress nhiệt độ thấp đối với nhiều loài cây trồng là làm giảm tốc độ tăng trưởng, giảm năng suất và thậm chí làm chết cây [31]. Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh rằng ứng dụng GB ngoại sinh giúp bảo vệ thực vật bậc cao chống chịu tốt với điều kiện môi trường bị stress nhiệt độ thấp [20]. Ứng dụng kỹ thuật di truyền về sinh tổng hợp GB trong một số loài cây trồng đã cho thấy tăng cường tính chống chịu với điều kiện môi trường bị stress nhiệt độ thấp ở tất cả các giai đoạn khác nhau của sự phát triển của cây chuyển gen. Cây chuyển gen cho thấy tỷ lệ nảy mầm tăng cao so với cây đối chứng không chuyển gen.
Trong cây cà chua chuyển gen codA, mặc dù hàm lượng GB tích lũy rất thấp nhưng cây cà chua biến đổi gen biểu hiện tăng cường khả năng chịu lạnh ở tất cả các giai đoạn phát triển, từ hạt giống nảy mầm đến giai đoạn sinh sản. Tăng cường khả năng chịu lạnh trong sự hiện diện của mức độ rất thấp GB có thể là do mức ngưỡng rất thấp GB nội sinh (0,1 mmol/g trọng lượng tươi) là đủ để cung cấp bảo vệ đầy đủ chống lại stress lạnh trong cà chua biến đổi gen [36]. Thêm vào đó, cây cà chua chuyển gen codA nhắm mục tiêu tích lũy GB ở trong tế bào chất và lục lạp,
cho thấy một mối tương quan giữa tích lũy GB trong các khoang này với khả năng chịu nhiệt độ thấp, muối và oxy hóa [37].
Bảng 1.1: Một số loài cây trồng chuyển gen codA mã hóa enzyme tham gia sinh tổng hợp glycine betaine, tăng khả năng chống chịu với điều kiện môi trường bất lợi
Loài cây Gen Sự tích lũy GB
(cơ quan) Cơ quan đích
năng Khả chống chịu bất
lợi
Tài liệu tham khảo
Arabipopsis thaliana
codA (COD)
1.0 àmol g-1trọng
lượng tươi (lá/hạt) Lục lạp Nhiệt độ thấp, mặn
Hayashi et al., 1997,
1998 Arabipopsis
thaliana
codA 12.0-18.0 àmol g-
1trọng lượng
khô(hạt) Lục lạp Nhiệt độ
cao
Alia et al., 1998b Arabipopsis
thaliana Coda Nồng độ chưa xác
định(chồi) Lục lạp Ánh sang
mạnh Alia et al., 1999 Arabipopsis
thaliana Coda
0.7-0.9àmol g-
1trọng lượng
khô(chồi) Lục lạp Băng giá Sakamoto et al., 2000 Brassica
juncea codA 0.82 àmol g-1trọng
lượng tươi(lá) Lục lạp Mặn Waditee et al., 2005 Diospyros
kaki (Hồng) codA 0.1-0.3 àmol g-
1trọng lượng tươi(lá) Tế bào
chất Hạn, mặn Huang et al., 2000 Oriza sativa codA 5.3 àmol g-1trọng
lượng tươi (lá)
Lục lạp/
Tế bào chất
Nhiệt độ
thấp, mặn Sakamoto et al., 1998 Oriza sativa codA 1.0-2.12 àmol g-
1trọng lượng khô(lá) Lục lạp Mặn Mohanty et al., 2002 Cà chua codA 0.1-0.3 àmol g-
1trọng lượng tươi(lá) Lục lạp Nhiệt độ
thấp Park et al., 2004
Cà chua codA
2.0 àmol g-1trọng lượng tươi(cơ quan sinh sản)
Lục lạp/Tế bào chất
Nhiệt độ thấp, mặn, oxy hóa
Park et al., 2007a Cà chua codA 0.9-1.43 àmol g-
1trọng lượng tươi(lá) Lục lạp Oxi hóa, mặn
Ahmad et al., 2008
1.2.3.4. Cây trồng chuyển gen tổng hợp glycine betain tăng cường khả năng chống chịu nhiệt độ cao
Các nghiên cứu trước đó cho thấy quanh hợp là mục tiêu chính trong nghiên cứu về ức chế bằng nhiệt độ cao và PSII là thành phần nhạy cảm nhất với nhiệt độ cao trong hệ thống này [18]. Nhiệt độ cao vừa phải thường ức chế sự cố định CO2 và không có khả năng phá hủy PSII [23]. Nhiệt độ cao thường có ảnh hưởng đến quá trình quang hợp, trong khi tiếp xúc với nhiệt độ cao vừa phải làm suy yếu hoạt tính của ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase (RuBisCo) qua đó làm giảm khả năng quang hợp [24].
Một vài nghiên cứu in vitro cho thấy GB bảo vệ các enzyme và phức hợp protein chống lại sự bất hoạt do tác dụng của hơi nóng. GB có hai chức năng là sửa chữa phức hợp PSII trong quá trình ức chế quang năng và bảo vệ phức hợp protein khỏi tác dụng của hơi nóng [14]. GB ổn định phức hợp PSII bằng cách kích thích sự sửa chữa của phức hợp khi cây tiếp xúc với nhân tố gây ức chế là hơi lạnh và độ mặn [36]. Nhiệt độ cao vừa phải không làm ảnh hưởng đến hoạt động hoặc hiệu quả của PSII và tỷ lệ đồng hóa CO2 tăng do cảm ứng với GB có liên quan tới sự hoạt hóa của Rubisco nhờ các enzyme trung gian [55].
Chương 2