Ảnh hưởng của hạn tới một số chỉ tiêu sinh lý và hàm lượng proline ở cà chua

Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật như năng lượng và kích thích được sử dụng trong một trung tâm phản ứng hữu ích cho quá trình hóa học, hoặc bị tiêu tan, chủ yếu là nhiệt, và ít hơn là bức xạ phát ra, hay nói cách khác, như trong huỳnh quang diệp lục in vivo [27]. Vì vậy, “bẫy” năng lượng photon, năng lượng oxy hóa khử (như vậy, gây ra dòng điện tử và quá trình quang hóa), bức xạ hồng ngoại và huỳnh quang (hình 1.1). Bức xạ kích thích quang hợp Hệ thống ánh sáng diệp lục a Năng lượng oxy hoá khử Huỳnh quang Nhiệt Hình 1.1: Nguồn gốc huỳnh quang diệp lục Màu xanh lá cây thực vật có chứa hai loại chất diệp lục. Chúng được gọi là diệp lục a và diệp lục b. Trong ánh sáng trắng, chúng xuất hiện màu xanh lá cây (green) vì chúng hấp thụ bước sóng của ánh sáng màu xanh và đỏ của quang phổ (hình 1.2). Hình 1.2: Phổ hấp thụ của chlorophyll a (đường liền) và chlorophyll b (đường nét đứt) Trần Thị Hà 11 Lớp: K33A - Sinh Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật Vì vậy, khi ánh sáng chiếu sáng trên lá thực vật, chỉ có năng lượng của ánh sáng màu xanh lục (blue) và đỏ sẽ được hấp thụ bởi các diệp lục này. Một phần năng lượng sẽ được sử dụng cho các phản ứng hóa học trong quang hợp. Và tất cả các năng lượng không được sử dụng, sẽ được “tiêu phí”. Năng lượng bị mất đi là ánh sáng chứa năng lượng thấp hơn so với ánh sáng hấp thụ, có bước sóng dài hơn (theo định luật Planck). Vì vậy, việc phát xạ huỳnh quang luôn luôn là một bước sóng dài hơn ánh sáng hấp thụ bởi bộ lá thực vật. Ở nhiệt độ sinh lý, trong thực vật bậc cao, gần như huỳnh quang đến từ phân tử diệp lục a, có liên quan đến hệ thống ánh sáng II, một phát xạ huỳnh quang cao cho một bước sóng 710 nm và có thể là liên quan đến hệ thống ánh sáng I (PS I). Trong ý nghĩa này, hoạt động của cả hai hệ thống ánh sáng có thể được so sánh bởi ý nghĩa của tỷ lệ huỳnh quang. Tuy nhiên, câu trả lời huỳnh quang về cơ bản là giới hạn trong photosystem II ở nhiệt độ khí quyển thông thường. Huỳnh quang của PS II có thể được đo với quang tử hoặc với một photodiode (đi-ốt quang) nhạy cảm với ánh sáng ở vùng 690 nm. Thông số huỳnh quang diệp lục và stress thực vật:  F0: bị ảnh hưởng bởi các stress của môi trường, gây biến đổi ở mức độ sắc tố của PS II. Ví dụ, nhiệt làm hư hại của PS II được đặc trưng bởi sự gia tăng mạnh mẽ F0 nhưng nhiệt độ thấp (băng giá) gây hư hại thylakoid lại không ảnh hưởng đến F0.  Fv: sự khác biệt Fm-F0 là gọi là huỳnh quang biến đổi. Thông thường giá trị này được hạ xuống bằng stress môi trường, mà nguyên nhân là gây hư hại trên thylakoid. Ví dụ các loại stress này như: nóng, lạnh và quang ức chế (photoinhibition). Trần Thị Hà 12 Lớp: K33A - Sinh Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật  Fm: huỳnh quang tối đa giảm sau khi tiếp xúc của lá với nhiệt độ cao nhưng không nguy hiểm. Xử lý nhiệt là nguyên nhân tăng F0 và giảm Fm, hoạt động của PS II sẽ bị ức chế.  Fm/F0: tỉ lệ này phụ thuộc vào thế năng nước của lá. Trong điều kiện khô hạn nó sẽ giảm xuống tới 1. Trong điều kiện hạn hán trầm trọng Fv không được tạo ra, nhưng sau khi có nước tỷ lệ này được phục hồi lên đến 3,0.  Fv/Fm: mối quan hệ này thường trong khoảng 0,832 ± 0,004 và nó tỷ lệ thuận với hiệu suất lượng tử của phase quang hóa của quang hợp. Sự giảm tỷ lệ này là một chỉ số tốt cho đánh giá thiệt hại của photoinhibition gây ra bởi ánh sáng khi thực vật trải qua các loại stress môi trường như hạn hán, lạnh, băng giá, chiếu sáng quá mức hoặc độ mặn. Khi các thay đổi trong hệ số tương quan này được kiểm tra, có sự gia tăng hiệu quả F0 (thường là do sự phá hoại các trung tâm phản ứng của PS II) có thể được tách ra từ giảm của Fv, mà thường được giải thích là chỉ số gia tăng của F0 không “dập tắt” quang hóa. Cũng cần lưu ý rằng photoinhibition, ví dụ, có tác dụng kích thích cả hai. Như đã đề cập, hiện nay đã có rất nhiều công trình khoa học đánh giá nhanh chóng khả năng chịu hạn của thực vật thông qua phân tích huỳnh quang diệp lục, trên đối tượng khoai tây, tác giả Prange (1986) [19] đã thấy huỳnh quang diệp lục có ý nghĩa là phát hiện nhanh chóng và nhạy cảm với sự mất nước (làm khô) trong bộ lá. Trong một nghiên cứu với lúa mạch, về sức chống chịu của cây trồng với hạn hán, nhiệt, lạnh, ánh sáng, và stress muối đã được kiểm nghiệm bằng kỹ thuật này [27]. Trong nghiên cứu về ảnh hưởng của hạn đất đến quang hợp và huỳnh quang diệp lục trên 3 giống đậu xanh, cho thấy giá trị F0 tăng kết hợp với sự suy giảm của Fm [32], giá trị Fv/Fm cũng bị suy giảm nhanh vào giai đoạn cuối của quá trình gây hạn ở Trần Thị Hà 13 Lớp: K33A - Sinh Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật Arabidopsis thaliana, thông số này phản ánh các thông số của quá trình quang hợp, từ đó cho thấy điều kiện hạn ảnh hưởng đến toàn bộ bộ máy quang hợp đặc biệt vào thời gian gây hạn cuối cùng [29]. Sự suy giảm của giá trị Fv/Fm cũng gặp trong trường hợp cà chua gặp hạn muối, ngoài ra cà chua còn tăng hàm lượng axit absisic, tăng 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) là tiền chất của ethylene, ACC là hợp chất hormone tăng đồng thời với sự bắt đầu quá trình oxi hóa và sự suy giảm của huỳnh quang diệp lục [11]. 1.4. Proline và vai trò đối với thực vật Ngoài những thay đổi về chỉ tiêu sinh lý nói trên thì trong điều kiện hạn cơ thể thực vật còn có những biến đổi đáp ứng về sinh hóa trong đó sự tăng hàm lượng proline là có ý nghĩa nhất. Proline hay α-pirolidin cacboxylic là một α-iminoaxit ưa nước có công thức phân tử C5H9NO2, có mạch bên là hidrocacbua khác với các axit amin khác ở chỗ nhóm amin bậc 1 ở Cα liên kết với cacbon của mạch bên tạo thành vòng pirolidin. Cấu trúc không gian Công thức cấu tạo Proline là một axit amino có khả năng hòa tan mạnh trong nước, giữ nước và lấy nước cho tế bào. Proline được tích lũy ở lá cây của nhiều loài thực vật, mô lá, mô phân sinh chóp rễ của thực vật, tích lũy trong hạt phấn bị làm khô, tích lũy ở vùng chóp rễ đang sinh trưởng và những tế bào thực vật nuôi cấy trong môi trường huyền phù đã thích nghi với điều kiện stress nước. Proline bảo vệ màng tế bào và protein chống lại ảnh hưởng bất lợi của sự tập trung cao các ion vô cơ và nhiệt độ. Trần Thị Hà 14 Lớp: K33A - Sinh Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật Quá trình tổng hợp proline nằm ở trung tâm của sự chuyển hóa cacbon và đồng hóa nitơ. Bất kỳ sự thay đổi về nồng độ proline (có thể là liên quan stress hoặc không) sẽ đi kèm với những thay đổi trong quá trình chuyển hóa tổng hợp nitơ, cũng ảnh hưởng đến sự chuyển hóa các phân tử khác, như protein và polyamine. Theo Samaras và cs, 1995 [25] con đường tổng hợp proline trong thực vật như sau: Hình 1.3: Các con đường biến đổi của sự chuyển hóa proline ở thực vật bậc cao P5SC, Δ1-pyrroline-5-carboxylate synthetase ; Δ1-pyrroline-5-carboxylate reductase ; P2CR, P5CR Δ1-pyrroline-2-carboxylate reductase ; 2 α CG, α -ketoglutarate; GLU, L-glutamate; (1) N -acetyl-L-ornithine-amindohydrolase ; (2) N2 -acetyl-L-ornithine:L-glutamate N-acetyltransferase ; OAT, ornithine-σ-aminotransferase; Trần Thị Hà 15 Lớp: K33A - Sinh Khóa luận tốt nghiệp Chuyên ngành: Sinh lý thực vật (3) ornithine- α -aminotransferase (a) + ATP  ADP; (b) + NADPH+H+  NADP+ + Pi; (c) + NADPH+ H+  NADP+. Phân tử proline có cấu trúc vòng (pirolidin), cấu trúc này tạo nên cho proline một hình dáng vững chắc hơn so với các axit amin khác. Như vậy, vai trò của proline trong chống chịu stress nước ở thực vật thể hiện: proline tham gia điều chỉnh áp suất thẩm thấu của nội bào và tham gia vào cấu trúc bảo vệ màng và protein , chống oxy hóa, điều hòa pH tế bào chất, lưu trữ cacbon và nitơ, bảo vệ trao đổi chất chống lại điều kiện stress. Sự tích lũy proline là một phản ứng chuyển hóa thông thường ở thực vật trong điều kiện thiếu hụt nước và stress muối, đây là chủ đề được các nhà khoa học nghiên cứu trong nhiều năm qua [20]. Đã có nhiều công trình ở nước ngoài nghiên cứu trên các đối tượng thực vật và cây trồng khác nhau, để tìm hiểu về cơ chế tổng hợp, chuyển hoá proline… liên quan đến vai trò của proline đối với tính chịu hạn của thực vật. Trong dòng tế bào thuốc lá được nuôi cấy thích nghi với nồng độ 428 mM NaCl, proline chiếm trên 80% axit amin tự do [23]. Người ta thừa nhận rằng có sự phân bố đồng đều proline trong toàn bộ thể tích nước của nội bào, kết quả xác định axit amin tại thời điểm này vượt quá 129 mM. Tuy nhiên, nếu chỉ hạn chế trong nội bào thì sự tích lũy proline có thể vượt quá nồng độ 200 mM trong các tế bào này vì thế nó góp phần căn bản vào việc điều chỉnh thẩm thấu nội bào. Cũng trên đối tượng cây thuốc lá, tác giả Kishor và CS (1995) [15] nghiên cứu cây thuốc lá được chuyển gen (gen liên quan đến sinh tổng hợp proline – P5CS) trong điều kiện hạn nước, hạn muối, kết quả cho thấy hàm lượng proline gấp khoảng từ 10-18 lần so với đối chứng. Ở Việt Nam, đã có một số tác giả nghiên cứu về vai trò của proline đối với khả năng chịu hạn của nhiều loại cây trồng cũng cho kết quả khả quan. Tác giả Đinh Thị Phòng (2003) bằng việc xử lí lạnh, mặn, hạn trên các giống Trần Thị Hà 16 Lớp: K33A - Sinh