1.2. Gen codA mã hóa choline oxydase
1.2.2. Giới thiệu về glycine betaine
1.2.2.1. Glycine betain đối với tính chống chịu điều kiện môi trường bất lợi ở sinh vật Glycine betaine (GB) là một hợp chất amoni bậc bốn lưỡng tính, có hoạt động hiệu quả nhất trong tăng cường ấp suất thẩm thấu của tế bào như một chất hòa tan tương thích. GB được tìm thấy trong một phạm vi rộng ở cả tế bào động vật, vi khuẩn và một số loài thực vật hạt kín chịu hạn và chịu mặn [20]. Việc tăng cường tích lũy glycine betaine ở thực vật đóng vai trò sinh lý quan trọng trong việc làm giảm stress liên quan đến áp suất thẩm thấu. Những loài có khả năng tích lũy GB
một cách tự nhiên như rau bina, lúa mạch, ngô, củ cải đường, tích lũy nhanh GB khi tiếp xúc với các stress hạn, mặn, lạnh, nhiệt độ cao. GB bảo vệ thực vật bằng cách duy trì cân bằng nước và ổn định các đại phân tử dưới sự mất nước khi tế bào tiếp xúc với môi trường có nồng độ muối cao [38].
GB tích lũy ở nồng độ cao không gây cản trở chức năng của tế bào chất và có tác dụng đảm bảo tính ổn định cấu trúc và chức năng của các đại phân tử. GB xuất hiện như một yếu tố quyết định tới khả năng chống chịu điều kiện bất lợi ở cây trồng. Chất này có hiệu quả lớn và liên quan mật thiết đến khả năng sinh trưởng của cây trồng trong điều kiện môi trường hạn hán và nhiễm mặn. Mức độ tích lũy GB tương quan với khả năng chống chịu điều kiện bất lợi. GB được tích lũy chủ yếu trong lục lạp, nó đóng vai trò quan trọng trong điều chỉnh và duy trì màng thylacoid, do đó duy trì hiệu quả quang hợp [54].
Với kiến thức ngày càng hiểu biết sâu rộng về genomics và proteomics cùng với các công nghệ kxy thuật gen, một số loài thực vật đã được chuyển các gen mục tiêu liên quan đến con đường sinh tổng hợp GB, các cây chuyển gen đã được chứng minh tăng cường khả năng chống chịu các điều kiện stress phi sinh học [46].
1.2.2.2. Các con đường sinh tổng hợp glycine betain ở sinh vật a) Sinh tổng hợp glycine betain ở thực vật
Ở thực vật bậc cao, GB được tổng hợp từ serine qua ethanolamine, choline và betaine aldehyde. Quá trình sinh tổng hợp GB ở thực vật trải qua hai bước như sau:
(1) Đầu tiên, tiền chất choline được chuyển thành betaine aldehyde (một hợp chất trung gian độc với thực vật) nhờ sự xúc tác của choline monooxygenase (CMO).
(2) Tiếp theo, betaine aldehyde được chuyển thành glycine betaine dưới hoạt động của betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) [40].
Mặc dù, con đường tổng hợp GB trực tiếp từ sự N-methyl hóa glycine cũng được biết đến, nhưng sự tích lũy GB ở tất cả các loài thực vật bậc cao được xác định là con đường tổng hợp từ choline như trên (hình 1.1).
Hình 1.1: Con đường sinh tổng hợp GB ở thực vật bậc cao b) Sinh tổng hợp glycine betain ở vi khuẩn Escherichia coli và động vật
Cũng giống như thực vật bậc cao, ở vi khuẩn E. coli và ở một số động vật, con đường sinh tổng hợp GB cũng trải qua hai bước là khử choline thành betaine aldehyde và oxy hóa betaine aldehyde thành GB (hình 1.2). Tương ứng, hai bước đó được xúc tác bởi choline dehydrogenase (CDH) và betaine aldehyde dehydrogenase (BADH) [49].
Hình 1.2: Con đường sinh tổng hợp GB ở vi khuẩn E. coli
c) Sinh tổng hợp glycine betain ở vi khuẩn Arthrobacter globiformis và Arthrobacter panescens
Ngược lại, con đường sinh tổng hợp GB ở một số vi khuẩn như Arthrobacter globiformis và Arthrobacter panescensrất đơn giản,choline được chuyển hóa thành GBchỉ cần xúc tác bởi một enzyme choline oxydase (COD) (hình 1.3). Kết quả là từ tiền chất choline chuyển hóa thành sản phẩm trực tiếp là glycine betaine không thông qua hợp chất trung gian [28].
Hình 1.3: Con đường sinh tổng hợp GB ở vi khuẩn A. globiformis
d) Sinh tổng hợp glycine betain ở Actinopolyspora halophilia và Ectothiorhodospira halochloris
Ngoài các con đường tổng hợp GB từ choline như trên, một con đường sinh tổng hợp GB bắt đầu từ glycine đã được phát hiện trong hai loài vi sinh ưa mặn là Actinopolyspora halophilia và Ectothiorhodospira halochloris (hình 1.4). Quá trình sinh tổng hợp GB được thực hiện bằng 2 enzyme: đầu tiên glycine sarcosine methyltransferase (GSMT) xúc tác bước methyl hóa glycine thành sarcosine (N- monomethylglycine), tiếp theo sarcosine dimethylglycine methyltransferase (SDMT) xúc tác 2 phản ứng liên tiếp chuyển hóa sarcosine thành dimethylglycine và cuối cùng thành GB [33].
Hình 1.4: Sinh tổng hợp GB ở Actinopolyspora halophilia
Từ các con đường sinh tổng hợp GB ở các đối tượng sinh vật khác nhau như nêu ở trên, nhận thấy con đường sinh tổng hợp GB ở Arthrobacter globiformis và A.
panescens là đơn giản nhất. Từ tiền chất choline được chuyển hóa thành GB chỉ cần xúc tác bởi enzyme choline oxidase (COD) được mã hóa bởi gen codA nên chúng tôi chọn gen codA làm gen mục tiêu để nghiên cứu.