Nghiên cứu tạo dòng lúa chuyển gen mã hóa nhân tố phiên mã nhóm NAC liên quan đến tính chịu hạn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_____________________

Phạm Thu Hằng

NGHIÊN CỨU TẠO DÒNG LÚA CHUYỂN GEN
MÃ HĨA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ NHĨM NAC
LIÊN QUAN ĐẾN TÍNH CHỊU HẠN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

Hà Nội – 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

_______________________

Phạm Thu Hằng

NGHIÊN CỨU TẠO DÒNG LÚA CHUYỂN GEN

MÃ HĨA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ NHĨM NAC
LIÊN QUAN ĐẾN TÍNH CHỊU HẠN
Chuyên ngành: Hóa sinh học
Mã số: 62420116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC

HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Phạm Xuân Hội

Hà Nội – 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận án là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân,
đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của PGS.TS. Phạm Xuân Hội.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa đƣợc tác giả nào
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Hà Nội, ngày 26 tháng 8 năm 2018
Nghiên cứu sinh

Phạm Thu Hằng


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phạm Xuân Hội (Viện Di
truyền Nông nghiệp) là người thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều
kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian học tập, thực hiện và hoàn thành bản luận
án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Phòng Sau Đại học, Ban Ch nhiệm Khoa Sinh học (Trường ĐH KHTN) và
Ban lãnh đạo Viện Di truyền Nông nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ
tơi hồn tất các th tục cần thiết trong quá trình học tập và thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Sinh lý thực vật Hóa sinh (Khoa Sinh học, Trường ĐH KHTN) đã giảng dạy trong suốt khóa học và
tập thể cán bộ nghiên cứu c a Bộ môn Bệnh học Phân tử (Viện DTNN) và các bạn

bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho tơi để hồn thành luận án tốt
nghiệp này.
Tơi xin được cảm ơn gia đình và người thân đã luôn ở bên cạnh tôi, quan
tâm, cảm thông và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận án.
Hà Nội ngày 26 tháng 8 năm 2018

Phạm Thu Hằng


MỤC LỤC
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 6
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ 7
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 9
Chƣơng 1: TỔNG QUAN...................................................................................... 13
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÂY LÚA ..................................................................... 13
1.1.1. Đặc điểm sinh học của cây lúa Oryza sativa ................................. 13
1.1.2. Ảnh hƣởng của hạn hán đối với ngành sản xuất lúa gạo ................. 14
1.1.3. Ảnh hƣởng của hạn tới cây lúa.................................................... 16
1.2. VAI TRÒ CỦA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ LIÊN QUAN TỚI ĐÁP ỨNG
STRESS HẠN Ở THỰC VẬT.................................................................................... 28
1.2.1. Vai trò của nhân tố phiên mã liên quan tới đáp ứng stress hạn ở thực
vật ......................................................................................................... 28
1.2.2. Nhân tố phiên mã NAC và vai trò đáp ứng stress hạn ở thực vật ..... 34
1.3. AGROBACTERIUM TUMEFACIENS VÀ CƠ CHẾ CHUYỂN GEN VÀO
THỰC VẬT .................................................................................................................... 41
1.3.1. Giới thiệu chung về vi khuẩn A. tumerfaciens............................... 41
1.3.2. Cơ chế phân tử của việc chuyển gen thông qua A. tumefaciens ................ 42
1.3.3. Hệ thống vector/promoter dùng trong chuyển gen thực vật ............ 43
1.4. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TẠO GIỐNG LÚA CHUYỂN GEN CHỐNG

CHỊU HẠN ..................................................................................................................... 46
1.4.1. Tình hình nghiên cứu tạo giống lúa chuyển gen chống chịu hạn trên
Thế giới .................................................................................... 46
1


1.4.2. Tình hình nghiên cứu tạo giống lúa chuyển gen ở Việt Nam .......... 47
Chƣơng 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 50
2.1. VẬT LIỆU ...................................................................................................................... 50
2.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ................................................................ 50
2.1.2. Chủng vi sinh vật ...................................................................... 50
2.1.3. Vector và oligonucleotide .......................................................... 50
2.1.4. Hóa chất ................................................................................... 51
2.1.5. Thiết bị .................................................................................... 52
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................................. 52
2.2.1. Xử lý mẫu thực vật .................................................................... 52
2.2.2. Tách chiết, định lƣợng DNA/RNA .............................................. 53
2.2.3. Nhân dòng gen OsNAC1, OsNAC5 và OsNAC10 vào vector pGEM-T . 57
2.2.4. Thiết kế cấu trúc biểu hiện gen OsNAC1 trong tế bào thực vật ....... 59
2.2.5. Tạo cây lúa chuyển gen biểu hiện OsNAC1 .................................. 61
2.2.6. Sàng lọc các dòng lúa chuyển gen ............................................... 63
2.2.7. Các phƣơng pháp định lƣợng sinh lý, sinh hóa ở cây lúa................ 64
2.2.8. Phƣơng pháp xử lý số liệu thống kê ............................................. 65
Chƣơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

THẢO LUẬN ....................................... 66

3.1. PHÂN LẬP GEN MÃ HÓA NHÂN TỐ PHIÊN MÃ NHĨM NAC LIÊN
QUAN ĐẾN TÍNH CHỊU HẠN Ở LÚA .................................................................. 66
3.1.1. Khảo sát khả năng chịu hạn của một số giống lúa Việt Nam .......... 66

3.1.2. Phân lập gen mã hóa nhân tố phiên mã nhóm NAC liên quan tới tính
chịu hạn.................................................................................... 67
2


3.1.3. Phân tích biểu hiện của OsNAC1, OsNAC5 và OsNAC10 trong điều
kiện hạn.................................................................................... 75
3.2. THIẾT KẾ VECTOR BIỂU HIỆN OsNAC1 TRONG TẾ BÀO THỰC VẬT 78
3.2.1. Thiết kế vector biểu hiện OsNAC1 điều khiển bởi promoter hoạt
động liên tục ............................................................................. 78
3.2.2. Thiết kế vector biểu hiện OsNAC1 điều khiển bởi promoter hoạt động
cảm ứng stress .......................................................................... 81
3.2. NGHIÊN CỨU CHUYỂN GEN OsNAC1 VÀO CÂY LÚA................................ 86
3.3.1. Biến nạp vector biểu hiện vào A. tumefaciens LBA4404 ................ 86
3.3.2. Nghiên cứu chuyển gen OsNAC1 vào lúa ..................................... 87
3.3.3. Sàng lọc các dòng lúa tái sinh đƣợc chuyển cấu trúc biểu hiện
OsNAC1 ................................................................................... 91
3.3.4. Chọn lọc dòng lúa chuyển gen T1 ................................................ 94
3.3.5. Chọn lọc dòng lúa chuyển gen T2 ................................................ 96
3.4. ĐÁNH GIÁ SINH TRƢỞNG PHÁT TRIỂN VÀ KHẢ NĂNG CHỊU HẠN
CỦA CÁC DÒNG LÚA CHUYỂN GEN .............................................................. 100
3.4.1. Đánh giá sinh trƣởng, phát triển của các dòng lúa chuyển gen T2 . 100
3.4.2. Đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng lúa chuyển gen............ 102
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 117
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 118
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN
LUẬN ÁN ........................................................................................................... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 120
PHỤ LỤC................................................................................................................ 1

3


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
2,4-D

: 2,4-Dichlorophenoxyacetic acid

ABA

: Abscisic acid

ABRE

: Yếu tố đáp ứng acid abscisic chứa trình tự ACGT
(ACGT-containing abscisic acid response element)

AD

: V ng tác động acting domain

AMP

: Adenosine monophosphate

ATP

: Adenosine triphosphate

BAP

: 6-Benzylaminopurine

BD

: V ng liên kết

BĐKH

: Biến đổi khí hậu

bp

: Cặp azơ (base pair)

cDNA

: DNA ổ sung (complementary deoxyribonucleic acid)

Ct

: Chu kỳ ngƣỡng (threshold cycle)

DEPC

: Diethylpyrocarbonate

DMSO

: Dimethyl sulfoxide

dNTP

: Deoxyribonucleoside Triphosphate

DRE

: Yếu tố đáp ứng hạn (dehydration responsive element)

DREB

: Protein liên kết với yếu tố đáp ứng hạn DRE

inding domain

(dehydration responsive element-binding protein)
EDTA

: Ethylenediaminetetraacetic acid

EtBr

: Ethidium bromide

IPTG

: Isopropyl β-D-1-thiogalactopyranoside

kb

: Kilobase

LB

: Mơi trƣờng ni cấy vi khuẩn Luria-Bertani

LEA

: Protein hình thành trong giai đoạn phát triển muộn của
phôi (late embryogenesis abundant)

MCS

: V ng nh n dòng đa điểm cắt (multiple cloning site)

MOPS

: Acid 3-(N-morpholino)propansulfonic
4


mRNA

: Messenger ribonucleic acid

MS

: Môi trƣờng nuôi cấy thực vật Murashige & Skoog

NAA

: 1-naphthaleneacetic acid

NAC

: NAM/ATAF1/2/CUC2

NACRS

: Trình tự nhận biết protein NAC (NAC recognition
sequence)

NST

: Nhiễm sắc thể

OD

: Mật độ quang học (optical density)

ORF

: Khung đọc mở (open reading frame)

PCR

: Phản ứng chuỗi trùng hợp (polymerase chain reaction)

PEG

: Polyethylene glycol

RT-PCR

: Phản ứng nhân bản DNA sao ch p ngƣợc reverse
transcription polymerase chain reaction)

ROS

: Các chất oxy hoạt hóa (reactive oxygen species)

RWC

: Hàm lƣợng nƣớc tƣơng đối (relative water content)

qRT-PCR

: Phản ứng chuỗi trùng hợp định lƣợng thời gian thực
(Real-time quantiative polymerase chain reaction)

SDS

: Sodium dodecyl sulfate

TAE

: Đệm Tris-acetate-EDTA

TE

: Đệm Tris-EDTA

TF

: Nhân tố phiên mã (transcription factor)

Ti-plasmid

: Plasmid gây khối u (tumor inducing plasmid)

X-Gal

: 5-bromo-4-chloro-3-indolyl-β-D-galactopyranoside

5


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Chức năng của nhân tố phiên mã NAC .................................................. 40
Bảng 2.1: Trình tự cácoligonucleotide sử dụng trong nghiên cứu. ......................... 50
Bảng 2.2: Thang điểm đánh giá khả năng chịu hạn của cây lúa theo IRRI ............. 52
Bảng 3.1: Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn một số giống lúa Việt Nam ........... 66
Bảng 3.2: Kết quả chuyển gen vào lúa thông qua vi khuẩn A. tumefaciens ............ 88
Bảng 3.3: Kết quả sàng lọc c y lúa tái sinh đƣợc chuyển gen OsNAC1 ....................... 91
Bảng 3.4: Kết quả xác định số lƣợng bản sao gen kháng Hygromycin trong cây lúa
chuyển gen T0 ......................................................................................................... 93
Bảng 3.5: Kết quả sinh trƣởng của cây lúa chuyển gen T0 trong nhà lƣới............... 94
Bảng 3.6: Kết quả sàng lọc các dòng lúa chuyển gen T1 ........................................ 95
Bảng 3.7: Kết quả sinh trƣởng của các cây lúa chuyển gen đời T1 ......................... 96
Bảng 3.8: Kết quả đánh giá khả năng chịu hạn của các dòng lúa chuyển gen dựa

trên độ cuốn lá ..................................................................................................... 104
Bảng 3.9: Kết quả xác định hàm lƣợng nƣớc tƣơng đối trong dòng lúa chuyển gen ... 105
Bảng 3.10: Hàm lƣợng chất diệp lục a trong các dòng lúa chuyển gen ................. 107
Bảng 3.11: Hàm lƣợng chất diệp lục b trong các dòng lúa chuyển gen ................ 108
Bảng 3.12: Hàm lƣợng chất diệp lục tổng số trong các dòng lúa chuyển gen ....... 109
Bảng 3.13: Hàm lƣợng proline trong các dòng lúa ............................................... 111
Bảng 3.14: Kết quả so sánh tƣơng quan khả năng chịu hạn của các dòng lúa ....... 115

6


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mạng lƣới các nhân tố phiên mã tham gia đáp ứng stress hạn .................... 29
Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc protein NAC ................................................................... 36
Hình 1.3: Mạng lƣới điều hòa phiên mã các gen đáp ứng stress phi sinh học của
nhân tố phiên mã NAC ở lúa ................................................................................. 39
Hình 2.1: Sơ đồ thiết kế vector biểu hiện pCAM-Rd29A/OsNAC1 và pCAMLip9/OsNAC1 ....................................................................................................... 60
Hình 2.2: Sơ đồ thiết kế vector biểu hiện pBI-35S/OsNAC và pBI-Ubi/OsNAC1 . 61
Hình 3.1: Tách chiết RNA tổng số từ mẫu lúa xử lý hạn ........................................ 68
Hình 3.2: Nhân bản gen OsNAC1, OsNAC5 và OsNAC10 bằng kỹ thuật PCR ....... 70
Hình 3.3: Sàng lọc thể biến nạp bằng PCR trực tiếp khuẩn lạc .............................. 71
Hình 3.4: Kiểm tra plasmid tái tổ hợp bằng PCR ................................................... 72
Hình 3.5. Kiểm tra plasmid tái tổ hợp bằng enzyme cắt giới hạn ........................... 73
Hình 3.6: Phân tích trình tự axit amin suy diễn của protein OsNAC1, OsNAC5 và
OsNAC10 của giống lúa Tẻ Đỏ.............................................................................. 75
Hình 3.7: Biểu hiện của OsNAC1, OsNAC5 và OsNAC10 trong điều kiện hạn ...... 77
Hình 3.8: Xử lý vector pBI-Ubi, pBI-35S và pGEM/OsNAC1 bằng enzyme cắt giới
hạn ........................................................................................................................ 79
Hình 3.9: PCR trực tiếp khuẩn lạc mang pBI-Ubi/OsNAC1 và pBI-35S/OsNAC1 80
Hình 3.10: Kiểm tra plasmid tái tổ hợp pBI-Ubi/OsNAC1 và pBI-35S/OsNAC1 .. 81

Hình 3.11: Xử lý vector pCAM-Rd29A và pCAM-Lip9 bằng enzyme cắt giới
hạn BamHI ........................................................................................................... 82
Hình 3.12: PCR trực tiếp khuẩn lạc mang pCAM-Rd29A/OsNAC1 và pCAMLip9/OsNAC1 ....................................................................................................... 83
Hình 3.13: Kiểm tra plasmid tái tổ hợp pCAM-Rd29A/OsNAC1 và pCAM-Lip9
/OsNAC1 bằng PCR và cắt giới hạn ...................................................................... 84
Hình 3.14: PCR trực tiếp khuẩn lạc mang pCAM-Rd/OsNAC1, pBI-35S/OsNAC1,
7


pBI-Ubi/OsNAC1 và pCAM-Lip9/OsNAC1 ......................................................... 86
Hình 3.15: PCR trực tiếp khuẩn lạc mang pBI101 và pCAMBIA1301 .................. 87
Hình 3.16: Chuyển cấu trúc biểu hiện gen OsNAC1 vào lúa .................................. 90
Hình 3.17: Biểu hiện của OsNAC1 trong các dòng lúa chuyển gen Ubi:OsNAC1.......... 98
Hình 3.18: Biểu hiện của OsNAC1 trong các dịng lúa chuyển gen Lip9:OsNAC1 . 99
Hình 3.19: Đánh giá khả năng sinh trƣởng của các dòng lúa chuyển gen .............. 101
Hình 3.20: Các dịng lúa sau 2 tuần xử lý hạn ...................................................... 103
Hình 3.21: Ảnh hƣởng của hạn đến sự tích tụ H2O2 trong lá lúa .......................... 112
Hình 3.22: Khả năng phục hồi của các dòng lúa chuyển gen và dòng đối chứng sau
xử lý hạn ............................................................................................................. 113

8


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Dƣới tác động của iến đổi khí hậu tồn cầu, tình trạng hạn hán xảy ra
thƣờng xuyên hơn, với mức độ ngày càng trầm trọng, là nguyên nhân chính làm
giảm sản lƣợng c y trồng. Trong khi đó, d n số tồn cầu tăng nhanh, ƣớc tính năm
2050 sẽ tăng lên 9 tỷ ngƣời, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến an ninh lƣơng thực, tạo ra
một áp lực lớn cho việc đảm ảo lƣơng thực. Vì vậy, an ninh lƣơng thực là vấn đề

then chốt của nền khoa học nơng nghiệp thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng.
Lúa (Oryza sativa L.) là một trong a loại c y lƣơng thực quan trọng nhất
của con ngƣời. Trên thế giới, c y lúa đƣợc xếp vào vị trí thứ 2 sau c y lúa mì về
diện tích và sản lƣợng. Ở Việt Nam, cây lúa có vai trò đặc iệt quan trọng, chiếm tỉ
lệ cao nhất trong tổng sản lƣợng lƣơng thực quốc gia 60% và đƣợc canh tác với
diện tích lớn nhất xấp xỉ 3,8 triệu ha . Tuy nhiên, hầu hết diện tích trồng lúa đang
đƣợc canh tác trong môi trƣờng ấp ênh, rất dễ ị tác động ởi các yếu tố thời
tiết cực đoan, đặc iệt là hạn. Chính vì vậy, việc nghiên cứu ph n lập và đặc tính
các gen đáp ứng hạn, tiến tới tạo dịng/giống lúa có năng suất cao, đồng thời
chống chịu đƣợc với điều kiện ất lợi ngoại cảnh hạn có ý nghĩa quan trọng đặc
iệt trong việc duy trì và tăng năng suất lúa gạo, góp phần giữ ổn định an ninh
lƣơng thực quốc gia.
Tốc độ tăng năng suất lúa đã có hiện tƣợng bão hịa trong những năm gần
đ y chủ yếu do sự thiếu vắng những cơng nghệ nhân giống mới, sự giảm sút tính đa
dạng di truyền các giống lúa và sự xuất hiện ngày càng nhiều côn trùng, dịch bệnh
và bất lợi ngoại cảnh. Trong xu thế đơ thị hóa đang diễn ra mọi nơi, nếu chỉ sử dụng
các phƣơng pháp truyền thống trong việc tăng năng suất lúa thì sản lƣợng lúa gạo
của Việt Nam không thể đáp ứng đƣợc tốc độ tăng d n số và nhu cầu xuất khẩu. Do
đó, đã đến lúc chúng ta phải kết hợp giữa phƣơng pháp truyền thống và công nghệ
sinh học trong chọn tạo giống lúa mang các tính trạng quý nhƣ chống chịu hạn,
9


mặn… Trong khi các phƣơng pháp chọn giống truyền thống vẫn là chỗ dựa chủ yếu
để duy trì sự ổn định thì các phƣơng pháp cơng nghệ sinh học hiện đại sẽ đóng vai
trị quan trọng trong việc hiện thực hóa ƣớc nhảy vọt trong chọn tạo giống lúa.
Tính trạng chịu hạn là tính trạng đa gen mà sự iểu hiện của mỗi gen liên
quan chặt chẽ với quá trình phiên mã. Vì vậy, nhóm gen mã hóa nh n tố phiên mã
đang là trọng t m trong các nghiên cứu chọn tạo giống chịu hạn theo định hƣớng
chuyển gen. Nhóm gen mã hóa nh n tố phiên mã mặc d khơng tham gia trực tiếp

vào q trình đáp ứng với điều kiện hạn nhƣng sự iểu hiện của chúng lại có vai trị
điều hịa iểu hiện của rất nhiều gen chức năng tăng cƣờng khả năng chịu hạn của
thực vật. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh c y lúa chuyển gen mã hóa nh n tố
phiên mã tăng cƣờng khả năng chịu hạn so với c y không chuyển gen.
Nhóm gen mã hóa nh n tố phiên mã NAC là họ nh n tố phiên mã lớn nhất và
đặc trƣng của thực vật. Nh n tố phiên mã NAC tham gia vào rất nhiều q trình
sinh lý, sinh hóa khác nhau trong tế ào, ao gồm các quá trình phát triển, già hóa,
tạo thành tế ào thứ cấp và đáp ứng chống chịu stress môi trƣờng nhƣ hạn, mặn và
lạnh của tế

ào. Một số gen đáp ứng stress thuộc nhóm NAC ở lúa nhƣ

SNAC1/OsNAC9, SNAC2/OsNAC6, OsNAC5 và OsNAC10 đã đƣợc chứng minh có
liên quan tới q trình đáp ứng hạn và c y lúa chuyển các gen tăng khả năng chịu
hạn và năng suất cao hơn so với c y không chuyển gen trong điều kiện hạn.
Xuất phát từ thực tế trên, chúng tôi tiến hành đề tài luận án tiến sĩ “Nghiên
cứu tạo dòng lúa chuyển gen mã hóa nhân tố phiên mã nhóm NAC liên quan
đến tính chịu hạn” với mục tiêu tạo ra các dòng lúa chuyển gen chống chịu hạn,
đồng thời không g y ảnh hƣởng đến khả năng sinh trƣởng, phát triển. Các kết quả
thu đƣợc sẽ là nguồn vật liệu, số liệu quan trọng trong việc tạo ra các giống cây
trồng chuyển gen có khả năng chống chịu tốt với điều kiện hạn.
Mục tiêu nghiên cứu
Ph n lập, thiết kế vector chuyển gen mã hóa nh n tố phiên mã nhóm NAC liên
10


quan tính chịu hạn từ giống lúa Việt Nam.
Tạo dịng lúa chuyển gen mã hóa nh n tố phiên mã thuộc nhóm NAC có khả
năng chống chịu hạn.
Đối tƣ ng v nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án:
Các gen mã hóa nh n tố phiên mã nhóm NAC liên quan tới tính chịu hạn của
giống lúa Việt Nam.
ác n i ung nghiên cứu ch nh
 Nội dung 1: Ph n lập các gen mã hóa nh n tố phiên mã nhóm NAC gồm
OsNAC1, OsNAC5, OsNAC10 liên quan đến tính chịu hạn từ giống lúa Việt Nam;
 Nội dung 2: Thiết kế các cấu trúc iểu hiện gen OsNAC1 ở thực vật dƣới sự
điều khiển của promoter hoạt động liên tục Ubiquitine, 35S và hoạt động cảm ứng
stress (Lip9, Rd29A).
 Nội dung 3: Nghiên cứu chuyển gen mã hóa nh n tố phiên mã OsNAC1 vào lúa.
 Nội dung 4: Đánh giá sinh trƣởng, phát triển và khả năng chịu hạn của các
dòng lúa chuyển gen.
Địa điểm nghiên cứu
Luận án đƣợc thực hiện tại 3 địa điểm chính: Bộ môn Bệnh học Ph n tử,
Viện Di truyền Nông nghiệp Viện Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam ; Phịng Thí
nghiệm Việt – Pháp, Viện Di truyền Nơng nghiệp Viện Khoa học Nơng nghiệp
Việt Nam ; Phịng Thí nghiệm tƣơng tác c y trồng - vi sinh vật thuộc Trung t m
nghiên cứu vì sự phát triển tại Montpellier, Pháp.
Đóng góp mới của luận án
Luận án đã ph n lập đƣợc 3 gen mã hóa nh n tố phiên mã nhóm NAC gồm
OsNAC1, OsNAC5 và OsNAC10 từ giống lúa ản địa Việt Nam lúa Tẻ Đỏ . Luận
án đã tạo đƣợc các hệ vector iểu hiện trong tế ào thực vật mang gen OsNAC1
đƣợc điều khiển ởi promoter hoạt động liên tục Ubiquitin và 35S) và promoter
11


hoạt động cảm ứng stress (Lip9 và Rd29A . Luận án đã tạo đƣợc một số dòng lúa
chuyển gen iểu hiện gen đích, sinh trƣởng ình thƣờng trong điều kiện khơng xử lý
hạn và có khả năng chịu hạn tốt hơn c y đối chứng không chuyển gen.
Ứng dụng thực tiễn của luận án

Kết quả nghiên cứu của luận án đã tạo ra đƣợc các dòng lúa T2 mang một
ản sao của gen OsNAC1 ở dạng đồng hợp

iểu hiện dƣới sự điều khiển của

promoter hoạt động cảm ứng điều kiện stress Lip9 và promoter hoạt động liên tục
Ubiquitin. C y chuyển gen có kiểu hình tƣơng đồng với c y đối chứng không
chuyển gen về khả năng sinh trƣởng, phát triển và năng suất trong điều kiện ình
thƣờng khơng có stress hạn, trong khi khả năng chịu hạn và tỷ lệ sống sót cao hơn
trong điều kiện xử lý stress hạn. Đ y là kết quả quan trọng, chứng tỏ tiềm năng ứng
dụng của gen OsNAC1 nói riêng và các gen mã hóa nh n tố phiên mã thuộc nhóm
NAC liên quan tới đáp ứng stress nói chung trong cơng tác tạo giống c y chuyển
gen chịu hạn. Trên cơ sở kết quả của luận án, các vector iểu hiện gen OsNAC1 do
luận án tạo ra đang đƣợc nghiên cứu chuyển vào các giống c y trồng quan trọng nhƣ
ngô, bông, đậu tƣơng… để tạo ra các giống c y chuyển gen chịu hạn nhằm đáp ứng
nhu cầu cấp thiết của sản xuất trong điều kiện thay đổi khí hậu toàn cầu ở Việt Nam.

12


Chƣơng 1: TỔNG QUAN
1.1.

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÂY LÚA

1.1.1. Đặc điểm sinh học của cây lúa Oryza sativa
Lúa Oryza sativa thuộc bộ Hòa thảo (Graminales), họ Hòa thảo
(Graminaceae), chi Oryza. Chi Oryza phân bố rộng trên thế giới, trong đó có 23
lồi hoang dã và 2 lồi lúa trồng (O. sativa và O. glaberrima). Loài Oryza sativa L.
(2n = 24 đƣợc trồng phổ biến trên thế giới, tập trung chủ yếu ởcác quốc gia châu Á.

Dựa vào đặc điểm hình thái, Kato và cộng sự 1928 đã đề nghị phân chia lúa Oryza
sativa L. thành 2 loài phụ là Oryza sativa L. indica (lúa Indica) và Oryza sativa L.
japonica (lúa Japonica). Lúa Indica thƣờng phân bố ở vĩ độ thấp nhƣ Ấn Độ, Việt Nam,
Indonexia… cây cao, lá nhỏ xanh nhạt, bơng xịe, hạt dài, vỏ trấu mỏng, cơm khơ, nở
nhiều,… Lúa Japonica thƣờng phân bố ở vĩ độ cao nhƣ: Nhật Bản, Bắc Trung Quốc,
ch u Âu… cây thấp, lá to xanh đậm, bông chụm, hạt ngắn, vỏ trấu dày, cơm dẻo, ít
nở…[28].
Lúa có kiểu hình đa dạng, đƣợc trồng ở cả hệ sinh thái vùng cao và vùng
thấp. Tuy nhiên, khoảng 76% sản lƣợng gạo toàn cầu đƣợc sản xuất từ lúa nƣớc ở
hệ sinh thái v ng đất trũng. Theo IRRI (2002), sự phát triển của c y lúa đƣợc chia
thành a giai đoạn, bao gồm: sinh dƣỡng (vegetative), sinh sản (reproductive) và
chín (ripening). Tiềm năng năng suất lúa đƣợc hình thành/xác định trong giai đoạn
sinh dƣỡng. Chiều cao cây, khả năng đẻ nhánh liên quan đến số lƣợng bơng), sự
phát triển của rễ, diện tích lá là những đặc điểm chính của giai đoạn sinh trƣởng.
Kích thƣớc và hình thái ơng đƣợc quyết định trong giai đoạn sinh sản, trong khi kích
thƣớc hoặc khối lƣợng của hạt đƣợc quyết định trong giai đoạn chín. Giai đoạn sinh sản
đƣợc xác định là giai đoạn cây lúa nhạy cảm nhất với stress sinh học và phi sinh học,
ảnh hƣởng trực tiếp đến năng suất hạt sau này [71].
Thời gian sinh trƣởng của c y lúa đƣợc tính từ lúc nảy mầm cho đến khi
chín, dao động từ 90 - 180 ngày tùy theo giống và điều kiện ngoại cảnh. Trong canh
13


tác lúa hiện đại, thời gian sinh trƣởng của các giống lúa đƣợc các nhà nông học
quan tâm đặc biệt do liên quan trực tiếp đến năng suất và cơ cấu thời vụ, luân canh.
Giống lúa có thời gian sinh trƣởng quá ngắn hoặc quá dài có năng suất thấp do sinh
trƣởng dinh dƣỡng bị hạn chế đối với giống lúa có thời gian sinh trƣởng quá ngắn),
dễ bị lốp đổ và chịu nhiều tác động bất lợi của điều kiện ngoại cảnh đối với giống
lúa có thời gian sinh trƣởng quá dài). Ngƣợc lại, các giống có thời gian sinh trƣởng trung
bình trong khoảng 120 - 135 ngày có khả năng cho năng suất cao hơn nhiều. Giống lúa

sinh trƣởng dài ngày tạo ra lƣợng chất khô lớn nhƣng tỷ lệ hạt/rơm rạ thấp, riêng các
giống lúa có thời gian sinh trƣởng từ 130 - 150 ngày, tỷ lệ hạt/rơm rạ đạt cao nhất [78].
Đẻ nhánh là tính trạng số lƣợng, có hệ số di truyền thấp cho đến trung bình
và chịu ảnh hƣởng rõ rệt của điều kiện ngoại cảnh. Trong quá trình sinh trƣởng,
nhánh lúa đƣợc hình thành từ các mầm trên thân. Các giống lúa khác nhau có thời
gian đẻ nhánh khác nhau. Khả năng đẻ nhánh có ý nghĩa đáng kể đối với năng suất
sau này của cây lúa [69].
Chiều cao cây lúa cũng là một chỉ tiêu hình thái có liên quan đến một số chỉ
tiêu sinh trƣởng khác, đặc biệt là khả năng chống đổ của cây lúa. Các nhà khoa học
ở Viện nghiên cứu lúa quốc tế IRRI đã chứng minh các giống lúa lùn có nguồn gốc
từ Trung Quốc mang gen lùn là gen lặn không ảnh hƣởng đến chiều dài bơng lúa, có
ý nghĩa rất quan trọng trong cơng tác chọn tạo giống [69].
1.1.2. Ảnh hƣởng của hạn hán đối với ngành sản xuất lúa gạo
Lúa gạo là c y lƣơng thực chính của ngƣời dân châu Á. Mặc dù năng suất lúa
gạo đã tăng lên theo thời gian sau cuộc cách mạng xanh. Những năm gần đ y, do
tác động của biến đổi khí hậu đặc biệt là hạn hán thƣờng xuyên xảy ra làm ảnh
hƣởng không nhỏ đến sự tăng năng suất lúa gạo. Ít nhất 23 triệu ha trồng lúa (20%
tổng diện tích trồng lúa) ở châu Á chịu ảnh hƣởng của hạn hán [105]. Hạn hán đã
gây ra sự thiếu hụt lƣơng thực ở nhiều mức độ khác nhau, dẫn đến nạn đói xảy ra ở
các khu vực khác nhau của châu Á và châu Phi. Ở Ấn Độ, hạn hán những năm
14


1918, 1957 - 1958 và 1965 đã dẫn đến nạn đói trong thế kỷ XX [46]. Hạn hán năm
1987 đã ảnh hƣởng đến gần 60% tổng diện tích trồng trọt và 285 triệu ngƣời trên
khắp Ấn Độ [132]. Tƣơng tự, khu vực bị ảnh hƣởng hạn hán hàng năm trung ình ở
Trung Quốc trong giai đoạn 1978 - 2003 đƣợc ƣớc tính là 14 triệu ha và chi phí kinh
tế trực tiếp xử lý hạn hán chiếm khoảng 0,5% - 3,3% GDP của ngành nông nghiệp
Trung Quốc. Ở Thái Lan, hạn hán năm 2004 ƣớc tính đã ảnh hƣởng đến 2 triệu ha
diện tích trồng và hơn 8 triệu ngƣời [22]. Mới đ y, Bộ Nông nghiệp Mỹ đã công ố

số liệu cho thấy, lƣợng gạo tồn kho tại ba quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới
là Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam sẽ giảm xuống còn khoảng 19 triệu tấn vào cuối
năm 2016. Đ y là mức giảm lớn nhất kể từ năm 2003 trở lại đ y. Việc nguồn cung
không đƣợc đảm bảo sẽ tác động đến an ninh lƣơng thực của 7,2 tỷ ngƣời trên thế
giới. Gánh nặng này càng tăng nếu dân số thế giới tăng lên 9,6 tỷ ngƣời vào năm
2050. Điều này đồng nghĩa với việc sản xuất nông nghiệp cần phải tăng 70% để đáp
ứng nhu cầu thực phẩm của ngƣời dân. Liên hợp quốc cảnh báo, nếu nguồn cung
lƣơng thực khơng đƣợc đảm bảo, thế giới sẽ có thêm 60 triệu ngƣời nữa bị thiếu ăn
cùng với gần 1 tỷ ngƣời suy dinh dƣỡng vào năm 2020 [162].
Việt Nam là một trong số các quốc gia bị tác động nặng nề nhất bởi biến đổi
khí hậu. Sự xuất hiện thƣờng xuyên của hạn hán tiếp tục đe dọa nghiêm trọng đến
nền sản xuất lúa gạo trong nƣớc [134]. Theo dự báo của FAO, do tác động của hạn
hán, sản lƣợng lúa gạo hai vụ xuân và vụ mùa trên khắp cả nƣớc, đặc biệt là
v ng đồng bằng sông Hồng sẽ có xu hƣớng giảm dần, có thể giảm tới 12,5% vào
năm 2050 và 16,5% vào năm 2070. Hệ quả của các tác động này là áp lực ngày
càng tăng đối với giá lúa gạo trên thị trƣờng thế giới do Việt Nam là một trong
những nƣớc xuất khẩu gạo quan trọng nhất trên thế giới. Chính vì vậy, các chính
sách tăng trƣởng xanh và tồn diện trong ngành nơng nghiệp để đối phó với hạn
hán phải đƣợc chính phủ xem là vấn đề trọng tâm cần giải quyết và cần có sự
tham gia của tất cả các thành phần trong xã hội [163].
15


1.1.3. Ảnh hƣởng của hạn tới cây lúa
Cây lúa đòi hỏi lƣợng nƣớc lớn hơn rất nhiều so với các c y trồng khác trong
suốt chu kỳ sống. Trung ình để sản xuất 1 kg hạt lúa cần 3.000 – 5.000 lít nƣớc, trong
khi để sản xuất 1 kg hạt lúa mỳ hoặc ngơ thì lƣợng nƣớc chỉ cần khoảng ½. Chính vì vậy,
hạn hán ln là mối đe dọa nghiêm trọng đối với nền sản xuất lúa gạo. Hạn ảnh hƣởng
tiêu cực đến c y lúa ở tất cả các đặc điểm, ao gồm hình thái, sinh lý, sinh hóa và phân
tử. Qua đó, hạn ảnh hƣởng tới năng suất c y lúa [144].

1.1.3.1. Ảnh hưởng của hạn tới đặc điểm hình thái
C y lúa khi tiếp xúc với hạn ị giảm khả năng hấp thu nƣớc ở rễ, đồng thời
tăng tỷ lệ thoát hơi nƣớc, dẫn tới suy giảm quá trình sinh trƣởng, phát triển và cuối
cùng là giảm năng suất. Khi hạn xảy ra, cây lúa phản ứng ằng cách làm chậm hoặc
ngừng sinh trƣởng. Đ y là phản ứng ình thƣờng giúp cây lúa giảm sự mất nƣớc,
đóng vai trị nhƣ một cơ chế sống sót. Khi đó, c y lúa có những thay đổi hình thái
linh hoạt nhằm giảm thiểu sự mất nƣớc, đồng thời duy trì lƣợng nƣớc hấp thụ vào
cơ thể. Ở mức độ hình thái, lá và rễ là hai cơ quan ị ảnh hƣởng nặng nề nhất và cả
hai cơ quan này đều có vai trị quan trọng đối với khả năng thích nghi điều kiện hạn
của cây lúa. Chính vì vậy, sự iến đổi kiểu hình trong điều kiện hạn của cây lúa thể
hiện rõ nhất ở hai ộ phận này.
Lá địng đóng vai trị quan trọng duy trì sự tổng hợp và vận chuyển sản phẩm
quang hợp trong điều kiện hạn ở c y lúa. Dƣới điều kiện hạn, năng suất và đặc điểm
lá địng có mối tƣơng quan dƣơng. Chính vì vậy, các đặc điểm nhƣ diện tích, hàm
lƣợng nƣớc tƣơng đối, hàm lƣợng chlorophyll,... của lá đòng đƣợc đề xuất trong
chọn tạo giống lúa chống chịu hạn [39]. Cuốn lá là một trong những đáp ứng ở c y
lúa trong điều kiện hạn. Nếu sức trƣơng tế ào duy trì dƣới điều kiện thiếu nƣớc thì
độ cuốn lá diễn ra chậm. Tuy nhiên, dƣới điều kiện thiếu nƣớc nghiêm trọng, độ
cuốn lá tăng, dẫn đến ngăn ngừa sự thốt hơi nƣớc và mất nƣớc, giúp duy trì thế
nƣớc trong tế ào. Do đó, cuốn lá là một phản ứng thích nghi của c y lúa dƣới điều
16


kiện thiếu nƣớc và độ cuốn lá cũng đƣợc sử dụng nhƣ một tiêu chí đánh giá khả
năng chịu hạn ở c y lúa [58, 118].
Bộ rễ giữ vai trò quan trọng trong việc đáp ứng với điều kiện hạn ở c y lúa.
Bộ rễ hút nƣớc, hấp thụ dinh dƣỡng từ đất [115]. Dƣới điều kiện hạn, đặc điểm cấu
trúc và mức độ phát triển của ộ rễ là yếu tố quyết định giúp duy trì năng suất lúa.
Trong điều kiện thiếu nƣớc nhẹ, sự phát triển hệ rễ đƣợc ƣu tiên, trong khi sự phát
triển chồi ị ức chế. Điều này là do sự thiết lập, điều chỉnh lại gradient thế nƣớc

thông qua việc điều chỉnh thẩm thấu và nới lỏng thành tế ào, giúp rễ vẫn phát triển
tăng trƣởng trong điều kiện thế nƣớc thấp, trong khi cơ chế này khơng đƣợc điều hịa
ở lá [65]. Đồng thời, rễ ăn s u tăng cả về chiều dài và khối lƣợng hoặc cuộn lại với
nhau đ m s u dƣới tầng đất giúp tăng cƣờng khả năng hút nƣớc. Ở các giống lúa chịu
hạn thì chiều dài rễ, trọng lƣợng khô của rễ/cây ở các giống chịu hạn cao hơn rất nhiều
giống đối chứng. Nhƣ vậy, khối lƣợng khơ và chiều dài của rễ là một tiêu chí tốt đánh
giá tiềm năng năng suất dƣới điều kiện hạn [48].
1.1.3.2. Hạn ảnh hưởng tới đặc điểm sinh lý
Hạn hán ảnh hƣởng đến nhiều quá trình sinh lý khác nhau ở cây lúa. Cây lúa
phản ứng lại với stress hạn ằng các đáp ứng sinh lý giúp chúng thích ứng với điều
kiện thiếu nƣớc. Tối ƣu hóa các q trình sinh lý là điều kiện tiên quyết giúp cây lúa
tăng hiệu suất sử dụng nƣớc. Một đáp ứng quan trọng ở cây lúa là khả năng duy trì
thế nƣớc trong các mô, cơ quan ằng cách giảm áp suất thẩm thấu trong tế ào,
đƣợc coi nhƣ một cơ chế đáp ứng hạn [91, 123]. Thiếu hụt nƣớc ảnh hƣởng tới quá
trình sinh lý ở lúa theo nhiều cách khác nhau, ao gồm q trình quang hợp, tốc độ
thốt hơi nƣớc, hoạt động đóng mở khí khổng, hiệu quả sử dụng nƣớc,... Ở lúa, các
thông số này đều giảm dƣới tác động của hạn [30, 39].
Hạn ảnh hưởng tới quang hợp: Đáp ứng đầu tiên của cây lúa khi môi trƣờng
trở nên khơ hạn là đóng khí khổng để giảm sự thoát hơi nƣớc. Hoạt động này dẫn
tới hệ quả ngăn cản dòng CO2 đi vào lá và làm giảm quá trình cố định car on, dẫn
17


tới sự dƣ thừa điện tử, từ đó tạo ra các chất oxy hoạt hóa (reactive oxygen species ROS) g y độc tế ào. Khả năng đồng hóa CO2 giảm cũng đồng thời làm tăng tính
nhạy cảm của thực vật với những tổn thƣơng do ánh sáng mặt trời g y nên [47, 82].
Để giảm sự mất nƣớc, ngoài cơ chế đóng mở khí khổng, cây lúa cịn giảm tiết diện
lá, thu hẹp độ che phủ tán lá và tăng tính nhạy cảm của lá non. Đ y là những yếu tố
ảnh hƣởng trực tiếp tới ộ máy quang hợp, dẫn tới sự giảm khả năng tổng hợp và
tích lũy sinh khối của cây lúa. Do ị thiếu nƣớc, thể tích tế ào giảm, tế ào chất trở
nên đặc hơn, dẫn tới làm tăng tính tƣơng tác giữa các ph n tử và các protein dễ ị

ph n hủy hơn. Độ nhớt của tế ào chất tăng có thể g y độc cho tế ào và ảnh hƣởng
tới hoạt động chức năng của các enzyme, trong đó có cả các enzyme của ộ máy
quang hợp. Thực nghiệm đã chứng minh trong giai đoạn ị stress hạn, hoạt tính của
các enzyme quang hợp nhƣ phosphoenolpyruvate car oxylase, nicotinamide
adenine

dinucleotide

phosphate-malic

enzyme,

Rubisco,

fructose-1,

6-

isphosphatase và pyruvate orthophosphate dikinase giảm từ 2 – 9 lần, tƣơng ứng
với sự giảm thế nƣớc của lá. Bên cạnh các enzyme quang hợp, thành phần sắc tố
nhƣ diệp lục và các carotenoid cũng đóng vai trị rất quan trọng đối với q trình
quang hợp. Các sắc tố này có nhiệm vụ thu năng lƣợng từ ánh sáng để tạo ra lực
khử cho quá trình quang hợp. Tuy nhiên, trong điều kiện cây lúa ị stress hạn, do
màng lục lạp ị tổn thƣơng, cấu trúc không ào ị iến đổi, c ng với sự xuất hiện
của các giọt lipid và các chất oxy hoạt hóa khiến cho hàm lƣợng và tỉ lệ giữa các
thành phần sắc tố diệp lục a, diệp lục

và carotenoid

ị thay đổi, dẫn tới làm giảm

quá trình quang hợp của c y. Quang hợp là quá trình trao đổi chất chính quy định
năng suất c y trồng, vì vậy hạn làm giảm q trình quang hợp qua đó làm giảm năng
suất c y trồng [76, 82].
Hạn ảnh hưởng tới sắc tố quang hợp: Hạn là nguyên nh n g y ra những thay
đổi liên quan đến chức năng trao đổi chất. Một trong những thay đổi đó là làm mất
hoặc giảm khả năng tổng hợp sắc tố quang hợp. Quá trình thu nhận ánh sáng giảm,
18


dẫn đến năng lƣợng cung cấp cho pha tối của quang hợp giảm. Những thay đổi về
hàm lƣợng sắc tố quang hợp có liên quan chặt chẽ về sinh khối và sản lƣợng.
Chlorophyll là một trong các sắc tố quan trọng của ộ máy quang hợp, có chức
năng hấp thu ánh sáng và chuyển năng lƣợng ánh sáng tới trung t m phản ứng
quang hợp. Chlorophyll a và

đều dễ ị phá hủy dƣới điều kiện hạn. Tuy nhiên, các

sắc tố quang hợp carotenoid khác đƣợc ổ sung trong cấu trúc sắc tố quang hợp,
giúp c y chống chịu hạn. Hàm lƣợng chlorophyll giảm và tới đa hóa hiệu suất lƣợng
tử của hệ PSII (Fv/Fm) đã đƣợc áo cáo trong nhiều nghiên cứu ở lúa chịu hạn
[130]. Theo Yang và nhóm nghiên cứu, hàm lƣợng chlorophyll và Fv/Fm giảm rõ
rệt ở dòng lúa dƣới điều kiện hạn. Hàm lƣợng chlorophyll giảm có thể do cảm ứng
với stress hạn g y nên sự suy giảm quá trình sinh tổng hợp sắc tố, phá hủy sắc tố,
mất mát lục lạp hoặc tăng quá trình oxy hóa lipit [154].
Hạn ảnh hưởng tới hiệu quả sử dụng nước: hiệu suất sử dụng nƣớc (water
use efficiency - WUE) là một trong những yếu tố quan trọng quy định năng suất c y
trồng dƣới điều kiện hạn và đƣợc coi nhƣ một chiến lƣợc trong cải tiến giống c y
trồng chống chịu hạn. Ở giống lúa Basmati, các thông số nhƣ cƣờng độ quang hợp,
hàm lƣợng nƣớc tƣơng đối và độ dẫn khí khổng có mối tƣơng quan thuận với WUE

thì tốc độ thốt hơi nƣớc lại tỷ lệ nghịch với WUE dƣới điều kiện hạn.
Hạn ảnh hưởng tới hormone Abscisic acid (ABA): ABA là hormone điều hòa
sinh trƣởng và tham gia vào các đáp ứng với ất lợi phi sinh học ở c y lúa. Nhiều
nghiên cứu đã chứng minh vai trò trung gian trong đáp ứng hạn của ABA thông qua
một loạt con đƣờng truyền tín hiệu. Hai chức năng đƣợc nghiên cứu nhiều nhất của
ABA trong đáp ứng stress hạn là đóng khí khổng và điều hịa iểu hiện của một
nhóm lớn các gen đáp ứng stress. Teng và cộng sự đã chứng minh, trong điều kiện
hạn, c y lúa xử lý ABA ngoại sinh sẽ phục hồi tốc độ quang hợp, độ dẫn khí khổng,
tốc độ thốt hơi nƣớc và tăng iểu hiện của nhiều gen tham gia đáp ứng hạn [138].
Tƣơng tự, Ahmad và nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng, ABA điều hịa q trình đóng
19


mở khí khổng và qua đó điều hịa q trình thoát hơi nƣớc. Trong điều kiện stress
do thiếu nƣớc, hàm lƣợng ABA tăng mạnh g y ức chế hoạt động của ơm phụ
thuộc ATP cản trở hấp thụ K+, làm nƣớc rị rỉ ra ngồi g y nên sự giảm sức trƣơng
nƣớckhiến cho khí khổng đóng lại [12]. ABA cũng là yếu tố hoạt hóa iểu hiện
nhiều gen mà sản phẩm của các gen này tham gia vào các đáp ứng hạn khác nhau.
Các gen này chủ yếu đƣợc kích hoạt iểu hiện ởi một nhóm nh n tố phiên mã liên
kết đặc hiệu với promoter chứa yếu tố đáp ứng ABA [116]. Các phát hiện này
chứng tỏ vai trò trung tâm của ABA trong đáp ứng chống chịu hạn ở thực vật nói
chung và cây lúa nói riêng.
1.1.3.3. Ảnh hưởng của hạn tới đặc điểm sinh hóa
Khi điều kiện thiếu nƣớc xảy ra, cây lúa tích tụ các chất vơ cơ, hữu cơ hịa
tan trong tế bào chất nhằm duy trì thế nƣớc thấp, qua đó duy trì sức trƣơng nƣớc của
tế ào. Q trình sinh hóa này đƣợc biết đến nhƣ là cách điều chỉnh áp suất thẩm
thấu tế bào và phụ thuộc vào áp lực gây ra bởi sự thiếu nƣớc của cây lúa. Điều
chỉnh áp suất thẩm thấu đạt đƣợc bằng cách tích tụ proline, sucrose, glycinebetaine
và các chất tan khác trong tế bào chất, qua đó cải thiện khả năng hấp thu nƣớc từ đất
khơ hạn. Trong số các chất tan này, proline đóng vai trò quan trọng và đƣợc nghiên

cứu khá rõ trong đáp ứng stress. Hạn cũng g y tích tụ các chất đƣờng hịa tan. Một
phản ứng sinh hóa quan trọng khác là sự tăng hoạt động chống oxy hóa, cải thiện
khả năng chịu hạn bằng cách loại bỏ các chất ROS.
Vai trò proline trong đáp ứng hạn: Proline là một loại acid amin, có khối
lƣợng phân tử nhỏ, hịa tan tốt trong nƣớc và tham gia vào nhiều chức năng sinh học
khác nhau ở thực vật. Dƣới điều kiện hạn, proline đóng vai trị then chốt trong sự
điều chỉnh áp suất thẩm thấu ở tế bào thực vật. Hơn nữa, các chất này không độc khi
tập trung với nồng độ cao và làm ổn định cấu trúc của các phân tử protein, giúp
thành tế bào chống lại ảnh hƣởng của sự tập trung muối cao và các chất tan có hại
cho tế bào. Sự tích lũy proline có ý nghĩa quan trọng, bởi chúng đóng vai trị nịng
20


cốt trong việc duy trì sức trƣơng của tế bào và hấp thụ nƣớc ngƣợc gradien nồng độ
dƣới điều kiện stress hạn. Báo cáo đầu tiên về sự tích lũy proline tự do đƣợc đƣa ra
bởi Kemble và Mac-Pherson ở cỏ lúa mạch đen (1954) [77]. Sau đó, những nghiên
cứu tƣơng tự cũng đƣợc thấy trên đối tƣợng c y lúa. Dƣới điều kiện thiếu nƣớc,
hàm lƣợng proline trong cây lúa có sự thay đổi đáng kể. Hàm lƣợng proline tăng
nhiều lần ở cây xử lý hạn so với c y đối chứng không xử lý hạn [62, 94]. Sự tích lũy
proline là phản ứng thơng thƣờng ở thực vật nói chung và ở cây lúa nói riêng trong
điều kiện thiếu hụt nƣớc [96].
Ngồi vai trị là chất điều hịa áp suất thẩm thấu tế bào, proline còn giữ vai
trò là chất chống oxy hóa, phân tử bảo vệ tế bào, bảo vệ protein và là phân tử tín
hiệu. Proline là chất loại bỏ gốc hydroxyl hiệu quả. Chất này kết hợp với gốc OH để
hình thành nên gốc tự do ổn định hơn. Proline kết hợp với gốc OH và oxy nguyên tử
tạo thành proline nitroxit, proline peroxit hoặc giải phóng oxy phân tử dạng
dioxygen (oxy triplet), qua đó làm mất các gốc tự do – những gốc này có thể làm
mất ổn định cấu trúc protein, cấu trúc màng tế bào. Nhƣ vậy, proline với vai trò loại
bỏ gốc oxy hóa, qua đó giúp ổn định cấu trúc protein, cấu trúc màng tế bào [44, 60].
Ngoài ra, proline và các sản phẩm trung gian của nó trong quá trình trao đổi có khả

năng điều khiển hoạt động biểu hiện của nhiều gen tham gia đáp ứng hạn. Theo Iyer
và cộng sự, chất trung gian sinh tổng hợp và phân giải proline P5C (pirolin-5cacboxylat) trong cây lúa có khả năng tăng cƣờng biểu hiện một số gen điều chỉnh
thẩm thấu, trong đó có gen dhn4 [73]. Trong điều kiện thiếu nƣớc, hàm lƣợng proline
đƣợc sử dụng nhƣ là một chỉ thị hóa sinh để chọn lọc các giống cây có khả năng chịu hạn
cao [44].
Vai trị c a polyamine dưới điều kiện hạn: Polyamine là các ph n tử mang
điện tích nhỏ và là thành phần khơng thể thiếu trong hệ thống sinh học. Các
polyamin thƣờng gặp ở thực vật là putrescine, cadaverine, spermidine, spermine và
các hợp chất hữu cơ chứa hai hoặc nhiều nhóm amino hoạt động nhƣ những nh n tố
21