1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Một trong những hiện tượng thay đổi của môi trường ảnh hưởng tới sự sinh
trưởng và phát triển của thực vật là tình trạng hạn. Hạn hán có ảnh hưởng xấu ở các
mức độ khác nhau trong suốt quá trình hay từng giai đoạn sống của cơ thể thực vật
dẫn đến làm giảm năng suất cây trồng, chậm phát triển và gây chết. Hiện nay trên
thế giới có khoảng 45% diện tích đất trồng bị hạn hán. Tại Việt Nam trong 7,3 – 7,4
triệu ha đất trồng thì có tới 1,5 – 1,8 triệu ha bị thiếu nước.
Nghiên cứu bản chất tính chống chịu của cây trồng cho thấy đây là một tính
trạng đa gen. Vai trò cụ thể của từng gen riêng rẽ liên quan đến tính chống chịu ở
thực vật (ví dụ P5CS, RD22…) đã được nhiều nghiên cứu tìm hiểu và phân tích.
Tuy nhiên, dưới tác động của các yếu tố bất lợi từ ngoại cảnh, không chỉ các gen
riêng rẽ được biểu hiện mà là một hệ thống các gen liên quan được kích hoạt biểu
hiện nhằm đáp ứng với tình trạng bất lợi mà thực vật gặp phải. Một trong số những
yếu tố kích hoạt hoạt động của các gen liên quan đến khả năng chống chịu là các
nhân tố phiên mã (transcription factor – TF).
Họ nhân tố phiên mã NAC (NAC transcription factor) là một trong những họ
TF đặc trưng lớn nhất trong hệ gen thực vật [106]. Nhân tố phiên mã NAC có liên
quan đến nhiều quá trình sinh lý quan trọng trong cơ thể thực vật [99]. Nhiều gen
NAC tham gia vào phản ứng với những áp lực khác nhau từ môi trường trong đó có
hạn [87], [113], [133]… Nhiều tác giả đã nghiên cứu chuyển gen mã hóa nhân tố
phiên mã NAC thành công vào một số loài cây trồng như: cây lúa, lúa mỳ, thuốc
lá, [54], [55], [60], [77], [87], [103], [127], [133]. Trên đối tượng cây lạc, các gen
AhNAC1, AhNAC2, AhNAC3 liên quan đến tính chịu hạn đã được tách dòng thành
công [71], AhNAC2 đã được sử dụng để thiết kế vector mang cấu trúc chịu hạn và
chuyển thành công vào cây Arabidopsis [72].
Lạc là cây nông nghiệp ngắn ngày được trồng phổ biến trên thế giới. Ở nước
ta, cây lạc được trồng trên khắp các miền và phù hợp với nhiều vùng sinh thái khác
nhau. Tuy nhiên, hạn, mặn, lạnh vẫn là yếu tố hạn chế đối với sự sinh trưởng và

tích các dòng lạc chuyển gen.

3

Chƣơng 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. HẠN VÀ TÁC ĐỘNG CỦA HẠN ĐẾN THỰC VẬT
1.1.1. Tác động của hạn đến thực vật và cây lạc
1.1.1.1. Cây lạc
Cây lạc có nguồn gốc ở vùng Nam Bolivia, Tây bắc Achentina, Nam Mỹ.
Người Bồ Đào Nha đưa cây lạc từ Brazin sang Tây Phi và sau đó đến Tây Nam Ấn
Độ từ thế kỉ XVI. Sau đó được đem trồng ở rất nhiều nước trên thế giới. Ở Việt
Nam, cây lạc được du nhập từ Trung Quốc sang và được trồng vào khoảng thế kỉ
XVII- XVIII [8], [13].
Về mặt phân loại, cây lạc có tên khoa học là Arachis hypogaea (L.) với 2n=40
NST. Theo Krapo Vikas và một số tác giả khác, cây lạc thuộc họ cánh bướm
Fabaceae, thuộc chi Arachis. Loài lạc trồng Archis hypogaea (L.) gồm hai loài phụ:
Loài phụ Hypogaea gồm hai chủng: Hypogaea loại hình Virginia và Bersuta kohter.
Loài phụ Fastigiata gồm hai chủng: Fastigiata loại hình Valencia và Vulgaris harz
loại hình Spanish.
Về hình thái, cây lạc gồm các bộ phận chính là rễ, thân, lá, hoa và quả lạc.
Rễ lạc có rễ cọc và rễ con. Trên rễ lạc có nhiều nốt sần được tạo thành do vi
khuẩn Rhizobium sống cộng sinh, do vậy cây lạc có khả năng cố định nitơ phân tử
trong không khí thành đạm cung cấp cho cây và đất trồng. Những nốt sần này tăng
nhanh về số lượng và kích thước từ khi cây lạc có 6 - 7 lá đến lúc nở hoa. Thân
chính của cây lạc thường chỉ cao khoảng 25cm - 50cm. Lá lạc là loại lá kép hình
lông chim có 4 lá chét mọc đối nhau, hình trái xoan ngược, có 2 lá kèm hình dải
nhọn bao quanh thân. Trên thân chính thường có khoảng 20 lá. Khi cây lạc có 5 - 6
lá trên thân chính thì lạc bắt đầu phân hoá các mầm hoa. Hoa lạc mọc ra từ các mắt

rồi tới đồng bằng trung du Bắc Bộ (Bắc Giang, Bắc Ninh, Hà Nam, Nam Định,
Ninh Bình). Trên thực tế, diện tích trồng lạc ở nước ta còn nhỏ và phân tán, trừ một
vài vùng lạc tập trung như Diễn Châu (Nghệ An), Hậu Lộc (Thanh Hoá). Gần đây
cây lạc được khuyến khích phát triển mạnh, đặc biệt ở những nơi đất bạc màu, thoái
hoá như vùng trung du và đồng bằng Bắc Bộ, những dải đất ven biển từ Thanh Hoá
chạy dài tới giáp Đông Nam Bộ,… đều có thể trồng được lạc. Nhiều vùng đất nhất
là ở miền Nam có thể trồng được 2 vụ lạc trong năm [13].
1.1.1.2. Tác động của hạn đến thực vật
Hạn là một trong những yếu tố cực đoan phi sinh học được quan tâm đến
nhiều nhất hiện nay. Hiện tượng khô hạn xảy ra khi trong môi trường đất và không
khí thiếu nước đến mức áp suất thẩm thấu của cây không cạnh tranh được để lấy
nước vào tế bào. Trong trường hợp này, tác động của môi trường bên ngoài rất lớn,
gây ảnh hưởng đáng kể lên sự phát triển của thực vật, có thể dẫn đến hủy hoại cây
cối và mất mùa [7], [23], [27], [36]. Các yếu tố bất lợi của môi trường có thể là:
nhiệt độ cao, gió nóng, thời tiết và khí hậu. Khái niệm hạn dùng để chỉ tình trạng
5

mất nước của cây. Khả năng thực vật có thể giảm thiểu mức tổn thương do thiếu hụt
nước gây ra gọi là tính chịu hạn [7].
Xu thế thay đổi của khí hậu làm cho hạn hán bất thường xảy ra ở nhiều nơi,
đây là nguyên nhân chính làm giảm năng suất cây trồng [94]. Theo FAO, ước tính
có 70% tiềm năng về năng suất bị mất đi do điều kiện bất lợi của môi trường và sâu
bệnh hại, ngay cả ở những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển. Hiện nay trên
thế giới có khoảng 45% diện tích đất trồng bị hạn hán [45]. Tại Việt Nam, trong
7,3-7,5 triệu ha đất trồng thì có tới 1,5-1,8 triệu ha thiếu nước.
Khi gặp hạn trạng thái của chất nguyên sinh trong tế bào thay đổi mạnh, ảnh
hưởng đến tính chất hoá lý của chất nguyên sinh như tính thấm, mức độ thuỷ hoá
của keo, thay đổi pH, độ nhớt, cuối cùng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi chất bình
thường của cơ thể. Hạn ảnh hưởng xấu đến quá trình hình thành diệp lục, phá hoại
lục lạp nên hiệu suất quang hợp giảm xuống nhanh chóng. Hạn ảnh hưởng đến hoạt

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng PEG, sorbitol, manitol… như những tác nhân
gây khô hạn trong môi trường nuôi cấy nhằm nghiên cứu tác động của hạn lên thực
vật. PEG là một hợp chất có ái lực rất lớn với nước, khi đưa vào môi trường nuôi
cấy nó không chỉ ngăn cản rễ hút nước mà còn chiếm nước từ rễ cây, khiến cây
nhanh chóng rơi vào tình trạng sốc hạn [67].
Như vậy có thể thấy, mức độ ảnh hướng của các yếu tố cức đoan trong đó có
hạn đến khả năng phản ứng của cây trồng là rất rõ rệt. Hiện tượng mất nước cục bộ
chỉ gây thiệt hại cho một nhóm nhỏ, nhưng hạn hán kéo dài sẽ gây thiệt hại cho
nhiều loại cây trồng, ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng. Các loài thực vật khác
nhau sẽ có khả năng chống chịu khác nhau với các yếu tố cực đoan phụ thuộc vào
bản chất di truyền từ bao thế hệ của chúng. Vì vậy, có cây có thể chống chịu được
và tồn tại, có cây sẽ bị chết. Ngay trong cùng một loài, các cá thể khác nhau cũng
phản ứng ở các mức độ không hoàn toàn như nhau [7].
1.1.1.3. Tác động của hạn đến cây lạc
Cây lạc được trồng trên 35,5 triệu ha ở 82 quốc gia trên thế giới. Hơn một
nửa số khu vực sản xuất, chiếm 70% diện tích trồng lạc thuộc vùng khô hạn và bán
khô hạn, ở những nơi này cây lạc thường xuyên chịu áp lực hạn hán với thời gian và
cường độ khác nhau [50], [79], [92], [104]. Dự kiến giá trị tổn thất hàng năm trong
sản xuất lạc tương đương với hơn 520 triệu USD gây ra bởi hạn [39], [40]. Tại Hoa
7

Kỳ, cây lạc đóng góp hơn 4 tỷ USD cho nền kinh tế của đất nước mỗi năm. Tại đây,
phần lớn cây lạc được trồng dưới điều kiện nước trời và chỉ có một diện tích hạn
chế được tưới tiêu [39]. Ở châu Á và châu Phi, cây lạc được trồng trong điều kiện
nước trời trong mùa mưa và bị hạn hán liên tục do lượng mưa ít có thể xảy ra tại bất
kỳ thời điểm nào trong chu kỳ sống của cây trồng. [40]. Ở Việt Nam, sản xuất lạc
được phân bố ở tất cả các vùng sinh thái nông nghiệp, với khoảng 40% tổng diện
tích các cây công nghiệp ngắn ngày [13].
Ảnh hưởng của hạn với cây lạc được thể hiện theo nhiều cách, ảnh hưởng
đến cả số lượng và chất lượng của cây trồng. Thâm hụt nước, tùy thuộc vào thời

nước. Hoạt động của các enzyme bị suy giảm do hiện tượng thiếu hụt nước nghiêm
trọng gây ra. Phức hệ carbohydrate và protein bị phá hủy bởi các enzyme thành các
loại đường đơn giản và các amino acid tương ứng. Proline, một amino acid, được
tích lũy mỗi khi thực vật gặp điều kiện bất lợi về độ ẩm. Hàm lượng proline được
tích lũy nhiều hơn sau khi cây trồng gặp hạn, do đó hàm lượng này được coi là một
chỉ số tốt khi nghiên cứu về cây trồng chịu hạn [39], [40].
Tốc độ tăng trưởng của rễ lạc bị ảnh hưởng bởi độ ẩm của đất. Thiếu hụt về
nước kích thích sự tăng trưởng của rễ vào trong đất sâu hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra
rằng, rễ lạc chiết xuất nước trong đất có hiệu quả ở độ sâu ít nhất là 180 cm trong
đất cát mịn. Tất cả những đặc điểm này góp phần làm tăng khả năng tránh bị khô
hạn của cây lạc [92].
ng ca hn n phát trin ca cây lc
a) Thời kì trước ra hoa
Trong mỗi thời kì sinh trưởng cây lạc chỉ có khả năng chịu hạn ở một
mức độ nhất định [31]. Biểu hiện bề ngoài khi cây lạc bị hạn ở tất cả các thời kì sinh
trưởng rõ rệt nhất là ở bộ lá. Khi độ ẩm đất giảm, lá lạc nhỏ và dày hơn, màu lá từ
xanh đậm chuyển dần sang xanh nhạt do diệp lục bị phá huỷ. Ở thời kì trước ra hoa,
nhu cầu về nước không cao lắm. Cây lạc chịu được hạn nhất vào thời kì trước ra
hoa, bị hạn trong thời gian ngắn ở thời kì này chỉ làm chậm sự phát triển và tốc độ
sinh trưởng dễ được khôi phục trở lại nếu được tưới đủ ẩm [13], [62], [79].
b) Trong quá trình ra hoa
Những quan sát cho thấy, thời gian bắt đầu ra hoa của cây lạc không bị trì
hoãn bởi khô hạn [39]. Tuy nhiên thiếu nước trong thời kì ra hoa làm giảm nghiêm
9

trọng số hoa, đợt rộ không hình thành được, thời gian ra hoa kéo dài, tỉ lệ hoa có ích
giảm đi do quá trình thụ phấn bị cản trở. Vì vậy, hạn ở thời kì ra hoa có thể kéo dài
thời gian ra hoa – chín của lạc , gây ảnh hưởng đáng kể tới năng suất của lạc [13],
[39]. Sự thiếu hụt nước ở thời kì ra nụ hoa đã làm giảm diện tích lá, làm giảm sút
cường độ quang hợp của lá, giảm khả năng đậu quả và khối lượng quả chắc, giảm

Khả năng chịu hạn của thực vật liên quan đến việc thay đổi toàn bộ cơ thể,
mức độ mô, mức độ sinh lý và phân tử. Biểu hiện của một hoặc sự kết hợp của
những thay đổi này xác định khả năng cơ thể thực vật duy trì được sự sống dưới
điều kiện độ ẩm giới hạn. Những cơ chế bảo vệ của thực vật đã được nhiều nhà
nghiên cứu tìm hiểu và phân tích, trong đó cơ chế biến đổi về mặt hình thái trong
điều kiện hạn đã được đề cập đến và giải thích [45].
Thực vật có thể phát triển nhanh về mặt hình thái và thúc đẩy quá trình hình
thành hạt (cơ chế thoát hạn). Cơ chế này được thể hiện ở việc trưởng thành và ra
hoa sớm, thay đổi thời gian sinh trưởng cho phù hợp với giai đoạn thiếu nước. Phát
triển những giống có thời gian sinh trưởng ngắn là một chiến lược có hiệu quả cho
việc giảm thiểu tổn thất về năng suất cây trồng dưới tác động của hạn, giúp cây
trồng tránh được những điều kiện bất lợi của môi trường [45], [75].
Các cơ chế làm giảm sự mất nước từ thực vật như kiểm soát sự thoát hơi
nước của khí khổng, hoặc duy trì sự hấp thu nước thông qua một hệ thống rễ tốt (cơ
chế tránh hạn) [75], [104]. Sinh khối, mật độ, chiều dài và chiều sâu của rễ là các
đặc điểm chính giúp cho việc tránh hạn và ảnh hưởng đến năng suất cây trồng dưới
tác động thiếu nước của môi trường [45], [75], [121, [104].
Có hai cơ chế của cây trồng để làm giảm lượng nước mất đi đó là sự thay đổi
độ mở của khí khổng và làm giảm lượng bức xạ hấp thụ. Khi cây gặp hạn khí khổng
đóng lại, ngăn chặn sự thoát hơi nước ra ngoài. Khi mất nước nhiều, khí khổng
không còn khả năng đóng, nước ồ ạt thoát ra ngoài dẫn đến cây héo và chết. Để duy
trì cân bằng nước nội bộ có hiệu quả, khí khổng phải đóng chặt và sự mất nước qua
tầng biểu bì phải nhỏ [45], [75]. Cơ chế làm giảm lượng nước mất đi bằng cách
giảm lượng bức xạ hấp thụ đạt được nhờ hoạt động của lá hoặc sự thay đổi đặc điểm
phản xạ của lá. Sự cuộn lá là chuyển động thụ động cũng có tác động làm giảm sự
bức xạ. Giảm diện tích bề mặt thoát hơi nước để làm giảm lượng nước mất đi. Các
cây trồng chịu hạn thường có số nhánh và số lá ít, diện tích lá giảm. Sự giảm sinh
11

trưởng của lá khi thiếu nước làm giảm nhu cầu nước. Giảm diện tích lá được coi là

phytohormon, amino acid, đường, polyamine, sắc tố và carotenoid… [45].
a) Bo v c trong t bào và mô
Cải thiện tình trạng nước trong mô có thể đạt được thông qua sự điều chỉnh
12

thẩm thấu hoặc thay đổi tính linh hoạt của tế bào. Điều này là cần thiết để duy trì
hoạt động sinh lý trong thời gian hạn hán kéo dài. Thay đổi tính linh hoạt của tế bào
có thể thông qua biến đổi thành tế bào. Như vậy, có thể ngăn cản nước đi từ trong tế
bào ra ngoài nhờ biến đổi cấu trúc thành tế bào, thu hẹp kênh trao đổi nước [45].
Các cơ chế khác nhau như điều chỉnh ASTT, hình thành abscisic acid… có
thể chống chịu đối với tác động của hạn bằng cách duy trì tiềm năng nước trong mô
cao. Với sự tích tụ các chất hòa tan, khả năng thẩm thấu của tế bào được tăng lên,
thu hút nước vào trong tế bào và giúp bảo vệ sức trương. Điều chỉnh ASTT giúp
duy trì sự cân bằng về nước trong tế bào cùng với sự tích lũy các chất hòa tan trong
tế bào chất, do đó giảm thiểu những tác hại của hạn hán [45], [75], [109].
b) Các cht chng oxy hóa
Hệ thống bảo vệ chống oxy hóa trong tế bào thực vật bao gồm cả các thành
phần thuộc enzyme và phi enzyme. Các thành phần có bản chất enzyme bao gồm
superoxide dismutase, catalase, peroxidase, ascorbate peroxidase và glutathione
reductase. Các yếu tố phi enzyme có cystein, glutathione khử và ascorbic acid [45].
Trong điều kiện môi trường bất lợi, như hạn, hoạt động của các enzyme chống oxy
hóa diễn ra mạnh và hàm lượng của các yếu tố phi enzyme rất quan trọng.
Enzyme chống oxy hóa là một trong những cơ chế hiệu quả chống lại stress
oxy hóa. Sự phiên mã của một số gen mã hóa cho enzyme chống oxy hóa như
glutathione reductase hoặc ascorbate peroxidase diễn ra mạnh trong suốt quá trình
phục hồi từ thời điểm thiếu nước, điều này đóng một vai trò quan trọng trong việc
bảo vệ các bộ phận của tế bào khỏi bị hư hại bởi các phản ứng oxy hóa. Thiệt hại do
oxy hóa trong các mô thực vật được giảm bớt bởi sự phối hợp hoạt động của một hệ
thống các chất chống oxy hóa có bản chất phi enzyme. Chúng bao gồm β-carotene,
acid ascorbic, α-tocopherol, glutathione khử [45]. Sự hình thành carotenes như một

điều kiện khô hạn. Tất cả thực vật đáp ứng với hạn và nhiều nhân tố bất lợi khác
bằng cách tích lũy ABA. ABA thường gặp trong tất cả thực vật có hoa và được
công nhận là một loại hoocmon điều chỉnh biểu hiện gen và hoạt động như một tín
hiệu cho sự khởi đầu của các qúa trình liên quan đến thích ứng với hạn và và các
yếu tố bất lợi khác từ môi trường [45]. Tăng nồng độ ABA dẫn đến nhiều thay đổi
trong quá trình phát triển, sinh lý và tăng trưởng. ABA làm thay đổi tốc độ tăng
trưởng tương đối của các bộ phận khác nhau trong thực vật như ức chế phát triển
14

diện tích lá, phát sinh rễ nhiều và sâu. ABA gây ra sự xuất hiện của một loạt các sự
kiện phức tạp dẫn đến việc đóng cửa khí khổng, vốn là một yếu tố phản ứng bảo tồn
nước. Do hiệu quả trong việc khí khổng đóng, ABA có thể kiểm soát tốc độ thoát
hơi nước, đến mức độ nào đó, có thể tham gia vào cơ chế chịu hạn ở thực vật [130].
Ethylene từ lâu đã được coi là một hormone ức chế sự tăng trưởng [109].
Ethylene có thể đáp ứng điều hòa hiệu suất lá trong suốt vòng đời của nó cũng như
xác định sự khởi đầu của quá trình lão hóa tự nhiên và sự lão hóa gây ra qua trung
gian hạn hán. Nhiều nghiên cứu gần đây cho rằng, cơ thể thực vật có thể tối ưu hóa
quá trình tăng trưởng và chống chịu stress phi sinh học như hạn hán. Phản ứng này
có liên quan đến quá trình tổng hợp ethylene [86].
Polyamine là cation có thể kết hợp với các thành phần anion của màng tế
bào, chẳng hạn như phospholipid, do đó bảo vệ màng kép lipid khỏi bị hư hỏng
dưới tác động của các yếu tố bất lợi. Sự quan tâm trong các nghiên cứu ngày càng
tăng về sự tham gia của polyamine trong phản ứng bảo vệ cơ thể thực vật chống lại
các yếu tố bất lợi từ môi trường [45]. Nhiều gen mã hóa cho các enzyme tham gia
vào quá trình trao đổi chất polyamine được tách dòng từ một số loài, và biểu hiện
của chúng dưới một số điều kiện bất lợi đã được phân tích [129].
e) C
Một trong những khả năng chống chịu các yếu tố bất lợi phổ biến nhất trong
thực vật là sản xuất lượng lớn các loại chất hữu cơ hoà tan khác nhau. Chúng bảo vệ
cơ thể thực vật khi gặp các yếu tố bất lợi thông qua các biện pháp như điều chỉnh

định hiệu suất của các enzyme khử nước, protein và màng lipid, cũng như bảo vệ
các cấu trúc sinh học dưới tác động của khô hạn [121].
f) Protein 
Một số hormon hoặc chất kích thích (ví dụ như ABA) sẽ giúp cho cây hoạt hóa
một loạt các quá trình sinh tổng hợp các protein và các chất khác ngăn ngừa tác
động bất lợi và cây có thể thích ứng với điều kiện này. Dựa vào khả năng chống
chịu, tính chất và mức độ phản ứng khác nhau của từng loài, người ta có thể chia
các protein được sinh ra trong quá trình đó làm 2 loại, các protein có chức năng
chống chịu và các protein có chức năng điều khiển sự biểu hiện gen và có thể có
chức năng trong việc phản ứng đối với tình trạng stress [7].
Tùy trong từng điều kiện môi trường bất lợi khác nhau, thực vật sản sinh ra
16

những loại protein có chức năng chống chịu khác nhau. Ví dụ đối với khô hạn, có
thể biểu hiện những loại protein như: môi giới phân tử (MGPT)- molecular
chaperone, LEA protein, protein kênh chuyển nước qua màng - aquaporin, proline,
transporters, các enzyme loại độc tố (detoxification enzymes), protein chống đông
lạnh (antifreeze proteins), protein gắn với mRNA (mRNA binding protein), enzyme
chủ chốt trong sinh tổng hợp các chất điều hoà áp suất thẩm thấu và các loại
protease khác nhau (hình 1.1) [101].

Hình 1.1. Chức năng của các gen cảm ứng với điều kiện khô hạn [101]
Để biểu hiện bất kỳ gen nào cũng đều cần có sự hoạt hóa promoter của chúng.
Hệ thống tín hiệu nhận biết từng loại stress khác nhau, bao gồm nhiều chất cảm ứng
có nguồn gốc protein hoặc là các chất khác. Đó là các yếu tố điều hòa phiên mã như
MYB, MYC, NAC, DREB, protein kinase như MAP kinase Các 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, TF và các enzyme trong chuyển hoá
phospholipid.
Protein chức năng như aquaporins có khả năng tạo điều kiện thuận lợi và

thuộc nhóm LEA đã được Ramesh và đtg (2007) nghiên cứu. Các tác giả đã chứng
minh được sự liên quan về chức năng của các protein này với việc phát triển các
giống lạc có khả năng chịu hạn. Trong nghiên cứu, một số protein liên quan đến sự
18

bất lợi về nước trong kiểu gen cây lạc đã được xác định, đánh giá vai trò của các
protein này trong cây lạc để thích nghi với khí hậu và thích ứng với hạn hán [91].
1.1.2.3. Cơ chế phân tử của đặc tính chịu hạn
Thực vật phản ứng và thích ứng, sống sót dưới tác động của sự khô hạn bằng
cách đáp ứng khác nhau về mặt hình thái, sinh lý, hóa sinh và phân tử. Khả năng
chịu hạn được xem như thực vật có khả năng phát triển, ra hoa và cho năng suất
kinh tế dưới điều kiện không được cung cấp nước tối ưu [45]. Hạn hán làm ảnh
hưởng đến các mối quan hệ về nước của thực vật ở mức độ tế bào, mô và cơ quan,
gây ra những phản ứng đặc hiệu cũng như không đặc hiệu, phản ứng thích ứng hoặc
gây thiệt hại [23], [28].
Biểu hiện gen có thể được kích hoạt trực tiếp dưới tác động của các yếu tố bất
lợi hoặc là kết quả của các đáp ứng thứ cấp khi bị thương tổn. Tuy nhiên khả năng
chống chịu hạn là một hiện tượng phức tạp liên quan đến hoạt động của nhiều gen
[7]. Khi gặp hạn, một loạt các cơ chế bảo vệ được khởi động thông qua việc tiếp
nhận các tín hiệu được cơ thể thực vật nhận biết. Khi đó, những thay đổi trong biểu
hiện gen (điều chỉnh lên và xuống) sẽ diễn ra. Những gen khác nhau được cảm ứng
để đối phó với hạn hán ở mức độ phiên mã, các sản phẩm của gen được cho là có
chức năng trong chống chịu hạn [101].
Có hai xu hướng tìm kiếm các gen liên quan đến tính chống chịu của cây trồng
đối với điều kiện sinh thái phi sinh học bất lợi. Xu hướng thứ nhất là tìm những gen
liên quan trực tiếp đến khả năng chống chịu hạn, lạnh, ngập úng hay phèn
mặn…(Ví dụ RD29A), xu hướng thứ hai tập trung tìm hiểu về gen chống chịu theo
hướng các yếu tố điều khiển như các nhân tố phiên mã [1].
Các yếu tố cực đoan của môi trường trong đó có hạn tác động lên các nhân tố
phiên mã (ví dụ CBF1 – hình 1.2), tiếp theo, nhân tố phiên mã hoạt hóa khả năng

vị trí nước trong màng tế bào để giữ ổn định cấu trúc này [7]. Gen OsLEA3-1 ở lúa
đã thể hiện tính chống chịu khô hạn trong điều kiện đồng ruộng nhờ sự điều khiển
của promoter CaMV35S [124]. Đặc điểm chung của các protein LEA là chúng có
các chuỗi peptide ưa nước cao nên một số LEA protein thích hợp với vai trò mang
nước, những protein này có thể giúp duy trì nhu cầu nước trong tế bào. Chúng có
thể xem như các chất tan thích hợp đóng vai trò duy trì cấu trúc của không bào khi
thiếu nước [7].
Phần lớn dehydrin đều được tổng hợp khi cảm ứng với điều kiện mất nước.
Gen mã hóa cho protein RAB 18 ngăn ngừa sự mất nước trong tế bào khí khổng ở
lá, còn gen mã hóa cho protein LTI29 và ERD 14 tăng cường giữ nước trong rễ. Khi
gặp hạn hoặc bị mất nước, chúng đều được tổng hợp với lượng đáng kể ở
Arabidopsis. Gen mã hóa cho protein DHN13 của đại mạch có trong hầu hết các mô
tế bào ở điều kiện bình thường cũng như khi gặp hạn, lạnh và xử lý ABA, còn
protein DHN4 chỉ có trong hạt, khi xử lý ABA và mất nước. Các gen dehydrin khác
của đại mạch như Dhn1, Dhn 3, Dhn 4, Dhn 6, Dhn 9 đều có sản phẩm phiên mã rõ
rệt khi mất nước và xử lý ABA [7], [94].
Nhiều gen mã hóa cho enzyme tham gia vào các phản ứng với hạn đã được
nghiên cứu về mặt chức năng. Các độc tố xuất hiện dưới ảnh hưởng của các yếu tố
bất lợi thường do nguyên nhân có sự tích lũy các phân tử phản ứng lại với các yếu
tố bất lợi như aldehyde. Các phân tử này có thể là nguyên nhân phân giải lipid, làm
biến đổi các protein và acid nucleic. Dưới tác động của aldehyde dehydrogenase
(ALDH), aldehyde có thể bị biến đổi thành carboxylic acid không độc. Gen mã hóa
cho ALDH xuất hiện trong tất cả các cơ thể sinh vật cho thấy sự quan trọng của nó
trong các chức năng sinh học nói chung. Sự cân bằng aldehyde là rất cần thiết trong
quá trình bảo vệ thẩm thấu khỏi các yếu tố bất lợi. Gen BADH (betaine aldehyde
dehydrogenase) cũng đóng vai trò quan trọng trong sự chống chịu của thực vật với
hạn và muối. Gen JcBD1 thuộc nhóm này đã được biểu hiện, sau khi đánh giá cho
thấy khả năng chịu hạn cao hơn so với đối chứng [131]. Trong các chất tan, proline
21


22

DREB1/CBF2, DREB1/CBF3 dẫn đến cây chuyển gen tăng cường tính kháng hạn,
mặn và lạnh [56]. Biểu hiện của gen mã hóa DREB2A hoạt hóa sự biểu hiện của
nhiều gen chức năng tham gia vào tính kháng hạn ở thực vật [95].
1.2. CÁC NHÂN TỐ PHIÊN MÃ LIÊN QUAN ĐẾN TÍNH CHỊU HẠN
1.2.1. Nhân tố phiên mã liên quan đến tính chịu hạn ở thực vật
Sự phản ứng của cơ thể thực vật ở các mức độ khác nhau trước tác động của
các yếu tố cực đoan đang là vấn đề được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Sự phản
ứng đầu tiên của tế bào khi mất nước là xuất hiện ABA. Trong trường hợp này các
gen đặc hiệu được biểu hiện, một loạt các chất được tổng hợp mới trong tế bào
Những yếu tố cực đoan khác nhau (hạn, mặn, lạnh) tạo ra những tín hiệu như nhau
và sự phản ứng của cơ thể sống đối với các yếu tố cực đoan của ngoại cảnh phụ
thuộc vào từng loài, kiểu gen, độ dài và tính khốc liệt của yếu tố cực đoan, độ tuổi
và giai đoạn của sự phát triển, dạng các cơ quan hoặc tế bào [7], [101].

Hình 1.3. Hệ thống điều hòa phiên mã của các tín hiệu stress phi sinh học
và sự biểu hiện gen [101]
23

Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu tập trung tìm hiểu về gen chống
chịu theo hướng các yếu tố điều khiển, ví dụ như các nhân tố phiên mã nhằm tiếp
cận cách điều hòa tổng thể hơn của thực vật khi gặp điều kiện bất lợi trong đó có
hạn hán [1]. Nhân tố phiên mã là các protein tham gia điều khiển mức độ biểu hiện
gen thông qua việc gắn vào các trình tự DNA ngắn đặc hiệu trong vùng promoter
của các gen đích và làm tăng hoặc giảm mức độ biểu hiện của chúng. Gen mã hoá
cho TF có chứa motif gắn DNA (bZIP, MYB, MYC, EREBP/AP2, NAC, DREB và
zinc fingers) được mô tả hoạt hoá bởi tác động của các yếu tố bất lợi. Tiếp theo đó,
chúng có vai trò điều hoà các gen chức năng (hình 1.3) [101].
Vai trò của các yếu tố phiên mã trong phản ứng với các điều kiện bất lợi đã

biết trình tự đặc trưng MYC trên promoter các gen chịu hạn. Protein MYC được đặc
trưng bởi cấu trúc domain cơ bản basic helix-loop-helix (bHLH). bHLH có thể nhận
biết được trình tự dạng CANNTG trên promoter (N – nucleotide bất kỳ). Tuy vậy,
hai nucleotide NN đặc trưng cho từng vùng. Kết quả nghiên cứu promoter rd22 của
Arabidopsis trên cây thuốc lá chuyển gen cho thấy, protein rd22BP1 chỉ nhận biết
trình tự CACATG đầu tiên phản ứng với hiện tượng mất nước, còn trình tự
CACATG thứ hai trong vùng này lại có chức năng ức chế [7].
Nhóm nhân tố phiên mã AREB/ABF (bZIP) nhận biết yếu tố ABRE (ABA –
responsive element) - PyACGTGGC trong vùng promoter. Hoạt hoá gen phản ứng
với sự mất nước RD29B, RD20A. ABRE lần đầu tiên được phân lập từ gen Em của
lúa mỳ và từ rab của lúa gạo. Protein gắn với Em (EmBP) mã hoá cho bZIP
(leucine zipper motif) protein. Trình tự ACGT là điểm gắn đặc hiệu của bZIP
protein [47], [73], [101].
Nhân tố phiên mã và con đƣờng dẫn truyền tín hiệu không phụ thuộc ABA
Nhận biết yếu tố DRE- yếu tố điều hòa phản ứng với sự mất nước là tên của
trình tự dài 9 bp: TACCGACAT trên promoter. Trong đó, vùng quan trọng nhất của
DRE motif là vùng lặp lại giàu C (CRT – C repeat) - CCGAC. Các yếu tố protein
gắn với trình tự DRE (DRE binding proteins - DREBs) ở vùng promoter đã được
nghiên cứu và phân lập. Những protein này chứa các vùng bảo thủ như các protein
EREBP (tham gia biểu hiện ethylene-responsive gene) và AP2 (Apetala2) - tham
gia trong quá trình biểu hiện kiểu hình của thực vật có hoa. Chúng phản ứng rất
nhanh với các yếu tố cực đoan trước khi xuất hiện ABA. Ví dụ như promoter của
25

gen phản ứng với sự mất nước rd29A ở Arabidopsis [73], [95], [101].
NAC (NAM, ATAF và CUC2) và HD-ZIP transcription factors liên quan đến
sự biểu hiện của gen ERD1 (Early responsive to dehydration stress 1) trong điều
kiện hạn [33], [76], [77]. Nhân tố phiên mã NAC nhận biết các trình tự đặc trưng
phản ứng với sự mất nước trong promoter của gen ERD1 [113].
Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã xác định được sự tồn tại của cả con đường