Đạm (N) là một trong những yếu tố thiết yếu đối với sự tăng trưởng và phát triển của thực vật nhưng lại thường được phân bố không đều trong đất. Thực vật phải phát triển cơ chế để thích ứng với tình trạng này. Khi có hiện tượng thiếu đạm xảy ra ở một vài vị trí nhất định xung quanh hệ thống rễ, thực vật sẽ hình thành cơ chế hướng hệ thống rễ hướng đến nơi có sự hiện diện của yếu tố đạm và tăng cường quá trình hấp thu để bù đắp cho sự thiếu hụt xảy ra. 

Trong nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí SCIENCE, các nhà khoa học Nhật bản đã xác định được cơ chế phân tử giúp thực vật nhận biết được yếu tố đạm (N) và hệ thống truyền tín hiệu giữa chồi và rễ, các quá trình này giúp thay đổi sự phát triển của bộ rễ hướng tới việc hấp thu yếu tố N đáp ứng cho quá trình phát triển của thực vật. Bộ rễ khi thiếu yếu tố N sẽ tiết ra các phân tử peptide kích thước nhỏ, các phân tử peptide này có thể được vận chuyển đến chồi và được tiếp nhận bởi các kinase receptor giàu leucine (LRR-RK=leucine-rich repeat receptor kinase). Các cây Arabidopsis bị thiếu cơ chế này sẽ biểu hiện tình trạng chậm phát triển kèm theo các triệu chứng thiếu đạm. Do vậy, cơ chế truyền tín hiệu từ hệ thống rễ đến chồi sẽ giúp cho thực vật thích nghi và đáp ứng đối với sự phân bố và thiếu hụt đạm trong đất. Xem chi tiết

Ulrich Deinlein at el. 3/2014 (Trends in plant science)

Cây trồng bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi đất nhiễm mặn ở nồng độ muối cao. Để tạo ra giống cây trồng chống chịu mặn  thì việc tìm hiểu các tính trạng chủ chốt tạo ra tính chống chịu mặn là hết sức quan trọng. Các thông tin được cung cấp tổng hợp từ các nghiên cứu được cập nhật gần đây về cơ chế chống chịu mặn ở thực vật. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng cơ chế cảm ứng stress và các thành phần truyền tín hiệu stress có thể giữ vai trò quan trọng trong việc điều hòa các đáp ứng của thực vật đối với stress mặn (nồng độ muối cao trong đất).

Các cơ chế về sự vận chuyển Na+ và các cơ chế khử độc Na+ cũng được thảo luận thêm, các kết quả nghiên cứu về sự biến đổi chromatin ở thực vật dưới điều kiện cây bị stress mặn cũng được thảo luận. Các cố gắng gần đây của các nhà khoa học trong việc chọn tạo các giống cây trồng kháng mặn cũng được đề cập, đặc biệt là ứng dụng chỉ thị phân tử (MAS) và kỹ thuật chồng gene kháng. Các câu hỏi vẫn còn để ngỏ và cần được trả lời để làm phong phú thêm kiến thức về cơ chế chống chịu mặn ở cây trồng.

Đất bị nhiễm mặn và các tác động lên cây trồng

Đất bị nhiễm mặn là một trong những vẫn đề hiện tại thách thức nghiêm trọng nền nông nghiệp các quốc gia trên thế giới. Sự tích tụ muối trong đất canh tác do quá trình tưới tiêu, dẫn nước từ các nguồn chứa muối gốc NaCl và từ sự xâm nhập của nước biển. Gia tăng nồng độ muối trong đất làm giảm khả năng hấp thu nước ở thực vật. Một khi rễ hấp thu một lượng lớn các ion Na+ và Cl- thì các ion này ảnh hưởng xấu đến sự tăng trưởng của cây, các ion Na+ và Cl- làm giảm các quá trình biến dưỡng và hiệu quả của quá trình quang hợp thấp.

Do đó, stress mặn ở thực vật có thể phân ra các giai đoạn như stress cân bằng thẩm thấu ở giai đoạn sớm, stress do tích tụ ion Na+ và Cl-. Hơn thế nữa, thực vật giảm thiểu tác hại của ion Na+ thông qua việc loại bỏ Na+ qua mô lá và sự phân ngăn nhằm quy tụ Na+ trong không bào. Các cây trồng không có khả năng chống chịu mặn sẽ làm giảm năng suất, từ đó dẫn đến thu hẹp diện tích đất canh tác. Sự mất dần diện tích đất có thể canh tác được xem như một thách thức nặng nề đối với ngành nông nghiệp do phải đáp ứng đủ lương thực thực phẩm cho nhân loại đang gia tăng số lượng phi mã (dự đoán dân số thế giới đạt khoảng 9.6 tỉ người vào năm 2050).

Với tầm quan trọng đó, việc tạo ra các giống cây trồng có khả năng chống chịu mặn là chiến lược vô cùng quan trọng để đối phó với thực trạng đất bị nhiễm mặn. Bài tổng hợp này sẽ phân tích các cơ chế chính trong quá trình chống chịu mặn ở thực vật và đưa ra các thông tin cập nhật gần đây về cơ chế cảm ứng stress mặn và sự truyền tín hiệu, cơ chế điều hòa biểu hiện gene ở thực vật. Hơn nữa, việc hiểu rõ mạng lưới vận chuyển ion Na+ trong thực vật và các phương pháp phân tích Na+ cũng giúp ích trong quá trình cải tiến giống cây trồng chống chịu mặn.

Cơ chế cảm ứng stress mặn

Để có cơ chế đáp ứng hiệu quả đối với stress mặn, thực vật tự phát triển khả năng cảm ứng các thành phần siêu thẩm thấu và ion Na+ của quá trình stress mặn. Hai phương thức cảm ứng trên đã chứng minh rằng cơ chế đáp ứng đối với muối NaCl mang nhiều sự khác biệt so với cơ chế đáp ứng với stress thẩm thấu thuần túy. Nồng độ muối cao trong dung dịch đất sẽ tạo ra stress thẩm thấu ở vùng rễ. Cho đến hiện tại thì các cơ chế phân tử về hoạt động của các sensor thẩm thấu ở thực vật và sensor Na+ vẫn cần được được tìm hiểu thêm.

Protein  HK1 (Histidine kinase receptor) cho thấy có thể giúp thay thế chức năng sensor Sln1 ở nấm men, các cây Arabiodopsis được biến đổi gene có biểu hiện vượt mức hay làm mất đi chức năng của HK1 mang các kiểu hình liên quan đến tính trạng hạn hán hoặc bị stress thẩm thấu.

Thực vật biểu hiện rất nhiều các đáp ứng sinh lý học khi gặp stress thẩm thấu, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng trong số các đáp ứng sinh lý học đó thì một số biểu hiện sẽ bị thay đổi ở các cây mang đột biến gene hk1 trong khi các biểu hiện khác không bị ảnh hưởng.

Điều này chứng tỏ rằng vẫn còn có các protein khác đảm nhận vai trò nhận biết tín hiệu stress thẩm thấu trên các cây Arabidopsis bị đột biến gene hk1. Các sensor về thẩm thấu ở thực vật dường như có liên hệ chặt chẽ về hoạt động đối với các kênh Ca++, điều này thể hiện ở việc thực vật biểu hiện sự gia tăng nồng độ ion Ca++ trong tế bào chất chỉ trong vòng vài giây sau khi bị xử lý với NaCl hoặc mannitol.

Các đáp ứng Ca++ có nguồn gốc hoạt động ở rễ và xuất hiện ở rất nhiều dạng tế bào. Kết quả này dẫn đến suy đoán rằng stress thẩm thấu có thể được cảm ứng bởi hoạt động của các kênh Ca++ giai đoạn đầu của chuổi đáp ứng stress. Các kết quả khác cũng chứng minh phương thức hoạt động cảm ứng mang tính cơ học-thẩm thấu. Các đột biến làm ảnh hưởng lên sự phát triển của lớp cutin cũng làm ảnh hưởng đến các quá trình đáp ứng thẩm thấu bao gồm cả hoạt động tổng hợp hormone ABA ở giai đoạn sau của chuổi phản ứng. Lớp cutin tạo ra sự nâng đỡ và bảo vệ vách tế bào cũng như màng sinh chất, bên cạnh đó lớp cutin cũng làm thay đổi khả năng khuếch tán của nước vào bên trong tế bào.

Do đó, thay đổi đặt tính của lớp cutin tế bào cũng làm thay đổi đặc tính cơ học của quá trình stress liên quan đến nước ở tế bào thực vật. Các phân tử hoạt động như thông tin tín hiệu thứ cấp cũng có liên hệ với con đường truyền tín hiệu Ca++, ví dụ như các gốc oxygen hoạt hóa ROS (reactive oxygen species) và các annexin ở Arabidopsis cũng được ghi nhận hỗ trợ các đáp ứng Ca++ liên quan đến cảm ứng NaCl và ROS. Downstream của dòng tín hiệu Ca++ là các kênh kinase sẽ được kích hoạt, các kinase này bao gồm cả CDPK (calcium dependent protein kinase) và CBL (calcineurin B-like protein) liên quan đến các kênh tương tác CIPK (CBL-interacting protein kinase).

Các hoạt động của các kinase này có thể giúp chuyển các tín hiệu thẩm thấu đến các hoạt động tiếp theo của các protein liên quan và sự biểu hiện gene thông qua quá trình phiên mã. Các yếu tố phiên mã (transcription factor = TF) có thể được kích hoạt trực tiếp bởi kênh Ca++/calmodulin và bao gồm cả các yếu tố kích hoạt phiên mã gắn kết với calmodulin CAMTA (calmodulin-biding transcription activator), GTL (GT element-biding like protein) và MYB.

Mặc dù sự gia tăng nhanh chóng nồng độ Ca++ được xem như là đáp ứng chỉ thị đối với stress thẩm thấu nhưng cũng có thể tồn tại các cơ chế cảm ứng thẩm thấu độc lập với con đường tín hiệu Ca++. Phân tích di truyền về các sensor cảm ứng thẩm thấu cũng như cảm ứng Na+ là tiền đề để hiểu rõ các cơ chế cảm ứng này ở giai đoạn sớm khi thực vật gặp các điều kiện stress.

Sự điều hòa biểu hiện gene ở rễ thực vật khi đáp ứng với stress mặn

Các yếu tố phiên mã (transcription factor) có mối liên hệ chặt chẽ với các cơ chế cảm ứng mặn đóng góp vào các hoạt động mang tính đề kháng đối với stress mặn. Các họ gene quy định các yếu tố phiên mã chính trong các đáp ứng với stress mặn như bZIP(basic leucine zipper), WRKY, AP2/ERF (APETALA2/ETHYLENE RESPONSE FACTOR), MYB, bHLH và NAC.

Các yếu tố phiên mã trên chịu trách nhiệm điều hòa sự biểu hiện của các gene ảnh hưởng đến các mức độ chống chịu stress mặn ở thực vật. Để chống lại việc giảm thế nước được gây ra bởi các thành phần mang tính thẩm thấu khi bị stress mặn, các gene liên quan đến các đáp ứng này được kích hoạt biểu hiện ở mức cao như các gene liên quan đến việc hấp thu các ion vô cơ, sự tổng hợp các osmolyte (các phân tử điều hòa tính thẩm thấu của tế bào). Ở một mức độ nào đó, sự điều hòa biểu hiện gene mức phiên mã (transcriptional regulation) liên quan đến các đáp ứng stress mặn ở thực vật được thúc đẩy bởi các thay đổi liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các hormone thực vật (phytohormone)

Hình 1: Các cơ chế vận chuyển Na+ và các thành phần quan trọng trong quá trình đáp ứng với stress mặn ở tế bào rễ thực vật

Sau quá trình cảm ứng stress, có một chu kỳ hạn chế các hoạt động tăng trưởng được khởi sự và sau đó là giai đoạn phục hồi. Cả hai giai đoạn này đều liên hệ mật thiết với sự thay đổi lượng hormone ABA (abscisic acid), jasmonate (JA), GA và BR (brassinosteroid). Khai thác nguồn dữ liệu từ AtGenExpress đã khám phá ra hệ thống tín hiệu thứ cấp kiểm soát sự tăng trưởng của thực vật sau quá trình stress mặn.

Trong quá trình đáp ứng với stress độ mặn cao, hầu hết các thay đổi liên quan đến quá trình phiên mã biểu hiện gene xuất hiện chỉ sau khoảng 3h khi cây bị stress mặn. Sự biểu hiện của 5590 gene đã được ghi nhận liên quan đến stress mặn ở bộ phận rễ của cây Arabidopsis thaliana. Sử dụng phương pháp phân biệt các hoạt động riêng biệt của các loại tế bào FACS (fluorescence-activated cell sorting) cho thấy các tế bào vùng lõi của rễ hoạt động phiên mã mạnh nhất.

Các phân tích ở mức phân tử cho thấy vùng nội bì của rễ là lớp tế bào mang chức năng quan trọng đối với sự phát triển của hệ thống rễ phụ dưới điều kiện stress mặn. Hormone ABA ngăn cản sự kéo dài của hệ thống rễ phụ trong môi trường có nồng độ muối cao.

Các nghiên cứu gần đây cũng cho thấy rằng thực vật tránh né môi trường có độ muối cao bằng cách thay đổi hướng tăng trưởng của rễ. Hiện tượng này được giải thích như sự hướng động liên quan đến hiện tượng mặn = halotropism (halo=mặn, tropism=hoạt động liên quan đến yếu tố nào đó). Hiện tượng này không phải do stress thẩm thấu gây ra mà là do các hoạt động đáp ứng với hornmone auxin được gây ra bởi stress mặn. Các cơ chế phân tử về hiện tượng halotropism cần được nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn các cơ chế chống chịu mặn ở thực vật mặc dù có nhiều khám phá quan trọng gần đây về cơ chế chống chịu mặn.

Ngoài các hormone đã được đề cập bên trên, hormone ethylene cũng cho thấy vai trò quan trọng trong sự chống chịu mặn ở cây Arabidopsis thông qua sự thay đổi tỉ lệ Na+/K+ ở chồi. Knock-out (bất hoạt) gene ETO1 (ETHYLENE OVERPRODUCER1) gây ra các thay đổi hàm lượng ethylene và qua đó kích thích quá trình sản xuất ROS ở vùng tủy của rễ bởi yếu tố RBOHF (respiratory burst oxidase homolog F). Sự gia tăng ROS ở vùng tủy dẫn đến giảm dòng ion Na+ vào rễ, giảm thu nhận Na+ ở mạch gỗ (xylem) và duy trì ion K+ ở rễ giúp tăng cường khả năng chống chịu mặn.

Mạng lưới vận chuyển Na+ và K+

Rất nhiều kênh vận chuyển trên màng tế bào thực vật giữ vai trò chính trong các cơ chế chống chịu lại với biotic và abiotic stress (các stress do các nhân tố sinh học và phi sinh học gây ra), đặc biệt là các kênh Na+ và K+ liên quan đến tính trạng chống chịu mặn. Có nhiều con đường vận chuyển Na+ đi vào rễ thực vật. Na+ có thể đi xuyên màng plasma theo các kênh và thể vận chuyển chất dinh dưỡng.

Các thể đột biến liên quan đến các kênh vận chuyển làm giảm sự tích lũy Na+ trong tế bào nhưng chỉ một vài kênh khi bị đột biến mới cho thấy hiệu ứng trực tiếp trong việc hạn chế sự vận chuyển ion Na+ vào tế bào rễ. Các kênh Ca++ không chuyên biệt (calcium permeable nonselective cation channels=NSCCs) bao gồm CNGC (CYCLIC NUCLEOTIDE-GATED CHANNEL) và GLR (GLUTAMATE-LIKE RECEPTOR) cho phép Na+ đi qua và xâm nhập vào tế bào (Hình 1).

Hơn nữa, kênh vận chuyển Na+ OsHKT2;1 trên cây lúa cho thấy hỗ trợ dòng ion Na+ đi vào rễ khi rễ bị thiếu ion K+. Trên cây Arabidopsis, thể đối chuyển (antiporter) AtCHX21-cation/H+ biểu hiện trong vùng nội bì rễ có vai trò trong việc vận chuyển Na+ từ các tế bào nội bì vào vùng tủy của rễ. Na+ xâm nhập vào xylem thông qua dòng thoát ra từ các tế bào tủy và sau đó được vận chuyển đến các mô trên không chủ yếu ở lá, cành. Các ứng viên tiềm năng cho quá trình điều khiển dòng Na+ dẫn nhập vào xylem là các kênh K+ hướng ngoại KORC và NORC. Ở Arabidopsis, AtSKOR-một thể tương đồng của KORC có mối liên hệ với hiện tượng nhập K+ vào xylem. Hơn nữa, nhóm I của các thể vận chuyển HKT giữ chức năng quan trọng trong việc loại bỏ Na+ khỏi xylem.

Sự cân bằng ion của tế bào trong suốt quá trình stress mặn đòi hỏi quá trình duy trì và phân bổ nồng độ K+ ổn định giúp cho việc tích lũy K+ trong tế bào thực vật cân bằng với Na+ (sự tích lũy nhiều Na+ sẽ gây độc cho tế bào). Biểu hiện vượt mức thể vận chuyển chuyên biệt cho K+ (không chuyên chở Na+ dù cả hai ion khá tương đồng về mặt điện tích) từ cây lúa OsHAK5 trên các tế bào BY2 cây thuốc lá giúp gia tăng tính chống chịu mặn. Kênh K+ hướng nội và hướng ngoại bào đã được xác định có liên quan đến cơ chế kiểm soát dòng vận chuyển đường dài hướng vào và ra khỏi tế bào, các kênh này giúp làm giảm tính độc ion Na+.


Sự mất chức năng của H⁺-ATPase (V-ATPase) trên không bào không làm thay đổi tính chống chịu mặn trên cây Arabidopsis. Ngược lại, giảm sự hoạt động của V-ATPase trên mạng lưới trans-Golgi hoặc endosome (TGN/EE) làm gia tăng sự mẫn cảm đối với stress mặn. Sự biểu hiện vượt mức H⁺-PPase AVP1 loại I trên không bào giúp cải thiện tính chống chịu mặn ở thực vật thông qua quá trình cô lập Na+ trong không bào. Tiềm năng ứng dụng việc biến đổi hoạt động của H⁺-PPase AVP1 trên cây trồng được thể hiện qua sự biểu hiện vượt mức gene AtAVP1 trên lúa mạch (Hordeum vulgare) giúp gia tăng tính chống chịu mặn dưới điều kiện nhà lưới, bên cạnh đó cũng giúp cây tăng sinh khối và năng suất khi thử nghiểm trên các cánh đồng bị nhiễm mặn.


Một phương pháp mới nổi lên gần đây trong chiến lược chọn tạo giống cây trồng kháng mặn để tránh vấn đề vừa nêu là sử dụng kỹ thuật biến đổi genome trực tiếp thông qua các kỹ thuật sử dụng các enzyme nuclease như các kỹ thuật ZFN, TALEN và CRISPR-Cas9. 

Xem tại link  

Antisense oligodeoxynucleotide (asODN) đã được phát triển trong những năm 1970, và đã được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu trên động vật. Tuy nhiên, trong sinh học thực vật, phương pháp này có ứng dụng hạn chế bởi vì vách tế bào thực vật ngăn chặn sự hấp thu asODN vào tế bào. Gần đây, Xie Z. và ctv đã phát hiện ra rằng sự hấp thụ asODN được tăng cường khi được cho vào một dung dịch đường. Phương pháp này cho thấy nhiều ứng dụng có triển vọng như thay thế các phương pháp chọn lọc cây biến đổi gen tốn thời gian hiện đang sử dụng và tiềm năng của nó trong nghiên cứu chức năng của gen ở mức toàn bộ cơ thể thực vật cũng như ở mức sinh thái với nhiều loài thực vật, đặc biệt trong việc đánh giá vai trò và chức năng của họ gene. Sự sàn lọc và tái sinh các thế hệ cây chuyển gen dựa vào môi trường chọn lọc các dòng tế bào có khả năng kháng kháng sinh, thuốc diệt cỏ hoặc khiếm khuyết trong biến dưỡng (sử dụng đường mannose). Phương pháp chọn lọc sử dụng asODN dựa vào việc cung cấp đồng thời các marker gene và gene mục tiêu vào trong tế bào thực vật. Hiện nay các marker gene được sử dụng phổ biến như kháng lại kháng sinh, thuốc diệt cỏ nên dẫn đến các quan ngại rằng các marker gene này có thể phát tán ra khỏi cá thể mang nó gây ảnh hưởng đến mối trường và sức khỏe con người. Các tác giả đã trình bày phương pháp chọn lọc các tế bào thực vật chuyển nạp gene thông qua việc sử dụng asODN. Phương pháp này giúp chọn lọc nhanh chóng và hiệu quả, bên cạnh đó là giảm thiểu đi các quan ngại về cây chuyển gene khi sử dụng các marker gene kháng thuốc diệt cỏ hay kháng thuốc kháng sinh. Do có tính chuyên biệt cao trong quá trình bắt cặp DNA nên các asODN cũng có thể được sử dụng như thuốc diệt cỏ dạng DNA chuyên biệt cho cây trồng. Xem chi tiết tại 

Các côn trùng chích hút ( bộ Hemiptera ) bao gồm rệp, rầy, ruồi trắng và bọ xít hiện là một trong những thách thức lớn nhất đối với quản lý dịch hại trong nông nghiệp trên thế giới. Chiến lược mới trong quản lý dịch hại do côn trùng hút chích gây ra là sử dụng một dạng chất độc thần kinh xâm nhập vào hệ mạch hemocoel để gây ức chế thần kinh và tiêu diệt côn trùng. 

Biện pháp này có thể sự dụng như một biện pháp thay thế thuốc diệt côn trùng có nguồn gốc hóa học. Để thực hiện chiến lược trên, các tác giả nghiên cứu sử dụng protein vỏ của một loại virus thực vật (luteovirus-loại virus có vector ký chủ là rệp) như phương tiện để phóng thích một loại độc tố chuyên biệt đối với côn trùng hoạt động trong hemocoel. Độc tố thần kinh được kết hợp với protein vỏ của virus tạo ra phân tử protein tái tổ hợp mang độc tính. 

Do đặc tính của protein vỏ là giúp virus di chuyển liên tế bào để xâm nhập toàn bộ hệ thống tế bào nên chỉ cần protein vỏ (luteovirid) cũng đủ vận chuyển độc tố vào hemocoel của rệp dưới dạng protein tái tổ hợp. Điều này không cần đến sự hình thành các virion (yêu cầu sự kết hợp của protein vỏ và các thành phần các như vật liệu di truyền hay các phân tử protein khác để tạo nên thể virus hoàn chỉnh). 

Kết quả thử nghiệm cho thấy khi cho ăn bốn loại rệp gây hại bằng protein tái tổ hợp mang độc tố được đóng gói trong các màng bọc hoặc lây nhiễm rệp với cây Arabidopsis biến đổi gen mang protein độc tố. Kết quả cho thấy tỷ lệ tử vong đáng kể trên rệp. Những con rệp ăn các protein tái tổ mang độc tố hợp cho thấy dấu hiệu tê liệt thần kinh. Với các kết quả triển vọng này, protein tái tổ hợp mang độc tố gây hại thần kinh trên côn trùng có thể được sử dụng như một chiến lược đầy hứa hẹn trong việc quản lý và kiểm soát dịch hại gây ra bởi các loại rệp và côn trùng hút chích. Xem tại đây.