Tiến Sĩ Nghiên cứu tăng cường khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi của môi trường trên đối tượng cây Xo

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
NĂM 2014


Chương 4. THẢO LUẬN 123
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 135
NHỮNG CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 137
SUMMARY 138
TÀI LIỆU THAM KHẢO 141
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Biến đổi khí hậu ngày càng diễn ra mạnh mẽ là nguyên nhân làm tăng những bất lợi từ môi trường, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của nhiều loài cây trồng. Do sự thay đổi khí quyển với hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ của khí quyển ấm dần lên, băng tan ở hai cực sẽ tạo sự ngập lụt ở các vùng đất thấp. Lũ lụt, hạn hán và sự xâm nhập mặn sẽ trở thành vấn đề lớn gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến phát triển nông lâm nghiệp. Để thích ứng với những biến đổi khí hậu và những hệ quả của chúng, chiến lược chung của ngành nông lâm nghiệp là ưu tiên tạo ra những giống cây trồng chống chịu được khô hạn, mặn, ngập úng, lạnh và chống chịu với đất có vấn đề như acid, thiếu lân, ngộ độc sắt, ngộ độc nhôm.
Những tác động bất lợi từ môi trường như khô hạn, đất nhiễm mặn, ngập úng, nhiệt độ cực đoan thường làm mất cân bằng về áp suất thẩm thấu gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất và chất lượng của nhiều loài cây trồng (Linhui et al., 2012). Một trong những phản ứng thường gặp nhất khi cây gặp các điều kiện bất lợi về nước đó là tăng cường tổng hợp và tích lũy các chất chuyển hóa như các loại đường tan, axít amin, v.v. để tăng cường áp suất thẩm thấu cho tế bào. Proline và glycine betaine được biết đến là một trong những chất đóng vài trò quan trọng trong quá trình điều chỉnh áp suất thẩm thấu nội bào khi thực vật sống trong các điều kiện bất lợi như khô hạn, mặn, lạnh (Sávio et al., 2012). Trong tế bào thực vật, glycine betaine (GB) được tổng hợp từ choline thông qua hai phản ứng liên tiếp được xúc tác bởi choline monooxygenase (CMO) và betain aldehyde dehydrogenase (BADH) (Rathinasbapathi et al., 1997). 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 (Takabe et al., 1998). Ngược lại, con đường sinh tổng hợp GB ở vi khuẩn Arthrobacter globiformis và Arthrobacter panescens lại rất đơn giản, từ choline chuyển hóa thành sản phẩm trực tiếp là GB chỉ cần xúc tác bởi choline oxydase (COD) (Ikuta et al., 1977). Sinh tổng hợp proline ở thực vật bậc cao có thể được thực hiện qua hai con đường hoặc từ glutamate hoặc từ ornithine. Con đường sinh tổng hợp proline từ glutamate được chứng minh đầu tiên ở vi khuẩn bởi Leisinger (Leisinger, 1987) và sau đó là ở nhiều loài sinh vật nhân sơ và nhân chuẩn
2
khác nhau. Ở thực vật bậc cao, chu trình này chỉ được xác định sau khi các nhà
khoa học thành công trong việc phân lập được đoạn cDNA của gen mã hóa cho
enzyme pyrroline-5-carboxylate synthetase (P5CS) (Hu et al., 1992). P5CS là một
enzyme giữ hai chức năng, thứ nhất enzyme hoạt hóa glutamate trở thành dạng hoạt
động là glutamic semialdehyde và sau đó xúc tác cho phản ứng đóng vòng để tạo ra
pyrroline-5-carboxylate. Dẫn xuất này sau đó sẽ bị khử bằng phản ứng xúc tác bởi
enzyme pyrroline-5-carboxylate reductase để tạo proline.
Từ những hiểu biết sâu sắc về con đường sinh tổng hợp glycine betaine và
proline ở sinh vật, cùng với sự phát triển mãnh 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, SDMT, P5CS và P5CR
từ nhiều nguồn khác nhau, mã hóa cho các enzyme tham gia vào quá trình sinh tổng
hợp GB và proline. Các gen này đã được thiết kế với các promoter biểu hiện đặc
hiệu, mạnh và chuyển thành công vào nhiều loài cây trồng, các loài cây trồng biến
đổi gen tăng cường khả năng chống chịu điều kiện bất lợi của môi trường (Amudha
& Balasubramani, 2011). Các kết quả công bố cho thấy : Cây Arabidopsis thaliana
chuyển gen codA,COX, GSMT/SDMT tăng cườ
ng khả năng chiụ laṇ h , nhiêṭ đô ̣cao,
chịu măṇ và băng giá (Ali et al., 1998a, 1998b; Hayashi et al., 1997, 1998;
Sakamoto et al., 2000; Huang et al., 2000), cây cải be ̣ (Brassica juncea) chuyển gen
codA có khả năng chi ̣ u mă ̣ n tố t hơn cây đố i chứ
ng (Waditee et al., 2005). Tương tự,
cây lúa (Oriza sativa) chuyển gen codA, betA,COX, CMO, cây cà chua, cây hồng,
cây bạch đàn chuyển gen codA cũng tăng cườ
ng kh ả năng chiụ laṇ h , hạn, măṇ và
oxy hóa (Sakamoto et al., 1998, Takabe et al., 1998; Su et al., 2006; Shirasawa et
al., 2006; Mohanty et al., 2002; Park et al., 2004, 2007a; Yu et al., 2009). Cây thuốc
lá chuyển gen COX, betA, CMO, BADH (Lilius et al., 1996; Nuccio et al., 1998;
Yang et al., 2008), cây cà rốt chuyển gen BADH (Kumar et al., 2004); cây bông và
ngô chuyển gen betA (Lv et al., 2007; Quan et al., 2004a, 2004b) cũng đã được
chứng minh là chống chịu tốt hơn với các điều kiện cực đoan của môi trường. Kết
quả nghiên cứu chuyển gen P5CS, P5CR,  -OAT tham gia sinh tổng hợp proline
vào cây thuốc lá, lúa nước, lúa mì, cà rốt, chanh, đậu tương, Arabidopsis cho thấy
cây chuyển gen chống chịu tốt hơn với điều kiện môi trường sống bị mặn, hạn, oxy
hóa, nhiệt cao và băng giá (Kavi Kishor et al., 1995; Zhu et al., 1998; Hong et al.,
3
2000; Anoop et al., 2003; Su & Wu, 2004; Sawahel & Hassan, 2002; Han &
Hwang, 2003; Hur et al., 2004; Molinari et al., 2004; De Ronde et al., 2004).
Việt Nam là một trong những quốc gia bị tác động mạnh mẽ của việc biến
đổi khí hậu, do đó hạn hán và đất nhiễm mặn hoang hóa đang ngày một gia tăng,
đây sẽ là một trong những nguyên nhân chính làm giảm năng suất và chất lượng cây
trồng nông lâm nghiệp và thu hẹp diện tích đất canh tác. Vì vậy, viêc̣ triển khai các
nghiên cứ
u nhằm taọ ra đươc̣ các giống cây trồng nông lâm nghiệp có khả năng
chống chi ̣ u được các điều kiê ̣ n bất lợ i củ a môi trườ
ng nhưng vâñ đảm bảo đươc̣
năng suất và chất lươṇ g tố t đang là vấn đề cấp bách và cần thiết nhất hiêṇ nay. Trên
thế giới, các nghiên cứu tạo cây trồng biến đổi gen tăng cường chống chịu các điều
kiện môi trường bất lợi chủ yếu tập chung vào nhóm cây nông nghiệp, còn nhóm
cây lâm nghiệp (cây gỗ) mới chỉ có một vài công trình công bố (Yu et al., 2009, Yu
et al., 2010). Trong lâm nghiệp, cây dương (Populus sp.) được sử dụng như là cây
mô hình cho các nghiên cứu chuyển gen. Tuy nhiên, hạn chế duy nhất của loài cây
này đó là khó sinh trưởng trong điều kiện khí hậu của Việt Nam. Vì vậy, việc tìm
kiếm một loài cây dễ thích ứng và phổ biến ở Việt Nam để làm cây mô hình cho các
nghiên cứu theo hướng quan tâm trên đối tượng cây lâm nghiệp trở nên rất cần thiết.
Cây Xoan ta được đánh giá là một trong những cây trồng quan trọng trong chiến
lược phát triển lâm nghiệp ở nước ta. Nó có mặt ở 6/9 vùng sinh thái lâm nghiệp,
trong đó 3 vùng: Vùng Trung tâm, vùng Đồng bằng Sông Hồng và vùng Nam
Trung bộ Xoan ta đứng đầu trong danh mục các cây trồng được ưu tiên phát triển
theo quyết định số 16/2005/QĐ-BNN ngày 15/03/2005 của Bộ trưởng Bộ
NN&PTNT. Hơn nữa, những kết quả nghiên cứu bước đầu trong việc xây dựng
phương pháp chuyển gen ở đối tượng cây Xoan ta là rất có triển vọng (Bui Van
Thang et al., 2007a; Nirsatmanto & Gyokusen, 2007; Ngo Van Thanh et al., 2010)
cho phép các nhà khoa học có thể tiến hành các nghiên cứu cải thiện giống, đặc biệt
là nâng cao tính chống chịu của loài cây này và có thể sử dụng như một loài cây mô
hình cho các nghiên cứu chuyển gen vào cây lâm nghiệp ở Việt Nam. Xuất phát từ
những lý do nêu trên, chúng tôi đã tiến hành thưc̣ hiêṇ đề tài “Nghiên cứu tăng
cường khả năng chống chịu các điều kiện bất lợi của môi trường trên đối
tượng cây Xoan ta (Melia azedarach L.) bằng công nghệ gen thực vật”.