Duy trì sự cân bằng ion

Lượng thừa Na gây mất cân bằng thẩm thấu 2 bên màng tế bào và quan trọng hơn là làm mất cân bằng tỷ lệ K/Na trong cây, tỷ lệ quan trọng trong nhiều phản ứng sinh hóa của tế bào thực vật. Nồng độ Na cao sẽ cạnh tranh vị trí trên kênh vận chuyển K ở màng tế bào, thay thế vào các quá trình sinh hóa phụ thuộc K gây ức chế enzyme, phản ứng hoặc cả một quá trình sinh hóa6.

Để giảm nồng độ Na trong cây, lúa thường tích lũy Na trong không bào của lá, đồng thời K cũng được chuyển từ không bào ra tế bào chất để tạo sự cân bằng K/Na7, 8. Ngoài ra, khi nồng độ Na trong tế bào cao, không bào sẽ đẩy Ca từ trong ra và hấp thu Na dư thừa vào. Nồng độ Ca trong cytosol tăng, cùng với ROS phát tín hiệu cho cây sản sinh acid abscisic, điều hòa đóng mở khí khổng, làm giảm sự thoát hơi nước qua lá, từ đó giảm sự hấp thu muối qua rễ9, 10. Sự đóng mở khí khổng xảy ra do hoạt động của các kênh màng ở tế bào bảo vệ, trong đó, kênh SLAC1 (slow-type anion channel) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh áp suất trương của các tế bào bảo vệ bằng cách vận chuyển các ion bao gồm K, Cl và malate11, 12. Khí khổng đóng, nồng độ CO trong lá giảm dần, cường độ quang hợp giảm mạnh, trong khi O trong tế bào tích tụ sẽ dẫn đến sự tăng hoạt động hô hấp. Quá trình hô hấp trong tế bào diễn ra mạnh mẽ nhằm cung cấp năng lượng cho các hoạt động kháng stress của cây. Song song với sự giảm quang hợp, nhiều quá trình sinh hóa ngăn chặn các yếu tố bất lợi cho cây diễn ra một cách mạnh mẽ như sản xuất ROS, tổng hợp các hợp chất điều hoà áp suất thẩm thấu.

Giảm nồng độ ROS gây hại

ROS có vai trò rất quan trọng trong hoạt động điều hòa, lập trình apoptosis (chết theo chương trình) và liên kết với các phân tử tín hiệu khác trong đời sống thực vật. Ở nồng độ thấp, ROS là tín hiệu kích thích các gen chống chịu ở cây nhưng ở nồng độ cao, ROS là chất gây độc, gây ra những tổn thương không thể hồi phục. Lục lạp và ti thể là những trung tâm kiểm soát trao đổi chất và sản xuất ROS, điều phối phản ứng chống căng thẳng. ROS được sinh ra quá nhiều sẽ gây phân hủy sắc tố quang hợp, oxy hoá bộ máy quang hợp, tác động lên màng ti thể, oxy hóa màng peroxisome. Nồng độ ROS cao (đặc biệt HO) có thể tạo ra các liên kết chéo với DNA làm thay đổi hoặc sai lệch tính ổn định của gen13, 14.

Để giảm tác hại của ROS, thực vật kích thích các cơ chế chống oxy hóa, bao gồm hệ thống enzyme và không enzyme. Hệ thống enzyme gồm superoxide dismutase, peroxidase, catalase, ascorbate peroxidase và hệ thống không enzyme như carotenoid, flavodoxin, α-tocopherol, melatonin, … giúp loại bỏ các chất oxy hóa mạnh mà hệ thống enzyme không làm được15. Trong đó, ascorbate peroxidase là tác nhân chính giúp loại bỏ HO, có mặt ở nhiều bào quan trong cây như lục lạp, ti thể và peroxisome16.

Duy trì sự cân bằng thẩm thấu

Chất bảo vệ thẩm thấu là các hợp chất hữu cơ ưa nước, trọng lượng phân tử thấp, có nhiều vai trò khác nhau liên quan đến cơ chế bảo vệ thực vật. Các hợp chất này không gây hại cho tế bào khi ở nồng độ cao17, 18. Trong điều kiện stress, các chất bảo vệ thẩm thấu được tăng cường tổng hợp như proline, ectoine, trehalose, polyol, fructan, glycine betaine, alanine betaine, proline betaine, choline-O-sulfate, hydroxyproline betaine và pipecolate betaine19.

Vai trò của chất bảo vệ thẩm thấu khi thực vật bị stress muối là duy trì áp suất trương của tế bào thông qua điều hòa thẩm thấu và bảo vệ các thành phần tế bào bằng cách làm giảm độc tính của ion. Bằng cách loại bỏ ROS nguy hại được tạo ra do stress và bảo vệ các enzyme chống oxy hóa quan trọng, các chất bảo vệ thẩm thấu này giúp tăng cường hệ thống phòng vệ chống oxy hóa ở thực vật 20. Ngoài ra, chất bảo vệ thẩm thấu còn có chức năng kích hoạt các gen liên quan đến sự phòng vệ của thực vật dưới nhiều tác động bất lợi khác21.

Proline là amino acid phổ biến trong thực vật, có vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất sơ cấp, thường được tích lũy với số lượng lớn khi thực vật gặp điều kiện bất lợi như hạn hán hoặc nhiễm mặn. Proline được tổng hợp trong cytosol và lục lạp giúp điều chỉnh áp suất thẩm thấu của tế bào, góp phần ổn định các cấu trúc dưới tế bào, loại bỏ các gốc tự do và đóng vai trò là đệm oxy hóa khử của tế bào ở điều kiện bất lợi22. Proline còn có thể hoạt động như một hydrotrope tương thích với protein giúp duy trì tỷ lệ NADP/NADPH tương ứng với sự trao đổi chất. Sau khi yếu tố căng thẳng giảm, proline bị phân hủy nhanh chóng thành các chất khử hỗ trợ quá trình phosphoryl hóa oxy hóa ở ti thể và tạo ra ATP giúp thực vật phục hồi và sửa chữa các tổn thương do căng thẳng gây ra 23.

Tóm tắt các phản ứng của thực vật khi gặp stress muối

Stress muối chủ yếu gây stress ion và stress thẩm thấu. Khi cảm nhận được nồng độ Na và áp suất thẩm thấu cao, thực vật sẽ tích lũy Ca, kích hoạt tín hiệu ROS và thay đổi thành phần phospholipid trên màng tế bào. Những tín hiệu này dẫn đến một loạt các quá trình thích ứng để giảm bớt stress, bao gồm duy trì sự cân bằng ion, cân bằng áp suất thẩm thấu nội bào, tạo tín hiệu hormone, điều chỉnh hoạt động của bộ xương tế bào và gia cố cấu trúc thành tế bào. Qua một loạt các con đường truyền tín hiệu, quá trình trao đổi chất phù hợp được kích hoạt để tăng khả năng chịu mặn cho cây (Figure 1).

Các con đường tín hiệu của chitosan trên thực vật

Tín hiệu được tạo ra bởi chitosan được tiếp nhận bởi các thụ thể trên màng tế bào, sau đó được chuyển đi bởi chất truyền tin thứ cấp như ROS, HO, Ca, NO và hormone thực vật để tạo ra các phản ứng sinh lý. Sự tăng độ deacetyl hoá chitosan làm tăng khả năng ức chế gốc superoxide và gốc hydroxyl. Ở nồng độ 5 mg/mL, chitosan 90 (độ deacetyl hoá 90 %) có khả năng ức chế gốc superoxide ở mức 65,34% trong khi chitosan 50 (độ deacetyl hoá 50 %) ức chế ở mức 58,81%. Với gốc hydroxyl, chitosan 90 nồng độ 0,25 mg/mL ức chế 91,67% trong khi chitosan 50 ở cùng nồng độ thì khả năng ức chế đạt 85 %30. HO hoạt động như một phân tử truyền tín hiệu tạo ra khả năng chống stress thẩm thấu ở hai giống lúa LPT123 và LPT123-TC171 bằng cách tăng cường sự phát triển của cây và tổng hợp các sắc tố quang hợp khi gặp stress thẩm thấu31. Chitosan đã được áp dụng trên lúa mì để cải thiện tính ổn định của màng tế bào thông qua việc kích hoạt hệ thống chống oxy hóa32, và trên đậu tương để tăng tổng hợp oligosaccharide nhằm tăng khả năng chịu hạn33. Ca điều chỉnh hoạt động tổng hợp callose ở cây đậu tương để đáp ứng với kích thích chitosan34.

Chitosan cảm ứng sự tích luỹ acid jasmonic ở nhiều loài thực vật khi gặp stress muối và hạn hán. Ở cây cải dầu Brassica napus, acid jasmonic và ethylene đóng vai trò tín hiệu trong phản ứng bảo vệ thực vật khi chitosan cảm ứng sự phiên mã của gen mã hoá jasmonic acid synthase và các gen liên quan đến sự sinh tổng hợp các thụ thể ethylene trên màng tế bào35. Sự hoạt hóa gen mã hóa phenylalanine amoniac lyase và chất ức chế protease ở lá cây đậu tương được kích hoạt bởi chitosan thông qua acid jasmonic36. Chitosan có thể kích hoạt tổng hợp acid jasmonic và acid abscisic giúp điều tiết sự sử dụng nước của thực vật. Ở cây lúa, có sự gia tăng tích tụ acid jasmonic và 12-oxophytodieonic thông qua con đường octadecanoid khi được xử lý với chitosan, trong khi acid abscisic cũng được cảm ứng thông qua tín hiệu HO dẫn đến đóng khí khổng37. Ngoài ra, chitosan còn cảm ứng các phản ứng phòng vệ liên quan đến việc kích hoạt HO thông qua con đường octadecanoid và NO trong lục lạp, tăng lượng lớn ROS để kích thích phản ứng siêu mẫn cảm. Toàn bộ các phân tử tín hiệu này góp phần vào cơ chế thích ứng ở các cây được xử lý với chitosan để phản ứng với stress38.

Phản ứng của thực vật dưới tác động chitosan trong điều kiện stress muối

Khi gặp stress muối, hàm lượng Na trong cây tăng cao là nguyên nhân dẫn đến sự sự tích luỹ MDA (malondialdehyde). MDA được xem như chất đánh dấu (marker) quá trình peroxid hoá lipid xảy ra khi thực vật gặp stress sinh học và phi sinh học39. Việc xử lý cây bị stress muối với chitosan nồng độ thấp có thể làm giảm bớt các tác động tiêu cực do stress muối gây ra. Trong điều kiện đất bị nhiễm mặn, sự tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt Carthamus tinctorius L. và hạt Helianthus annuus L. được ghi nhận khi hạt được xử lý với chitosan nồng độ thấp. Bên cạnh đó, hàm lượng MDA và proline giảm. Điều này chứng tỏ chitosan có thể làm giảm stress oxy hóa do muối gây ra ở hai loại loại thực vật này40. Tương tự, xử lý cây trồng với chitosan khi bị stress muối dẫn đến sự tăng hoạt động của enzyme chống oxy hóa, giảm nồng độ MDA. Hiệu quả tác động của chitosan khác nhau tuỳ thuộc vào trọng lượng phân tử, nồng độ và đối tượng nghiên cứu. Ở lúa, nồng độ chitosan 50 ppm tỏ ra hiệu quả hơn nồng độ 25 ppm41. Ngược lại, chitosan nồng độ 25% lại có tác dụng làm tăng hoạt tính catalase và peroxidase, giảm MDA tốt hơn so với nồng độ 50 và 75% khi được dùng để tạo lớp vỏ bọc hạt bắp và lúa mì42. Ở cây đậu xanh, nano chitosan kích thước 500 nm có hiệu quả tích cực hơn trong sự thúc đẩy hoạt động của catalase so với chitosan43. Nano chitosan nồng độ 1% khi được xử lý trên lá cây Catharanthus roseus trong điều kiện mặn đã làm giảm sự thoái hoá sắc tố quang hợp, tăng hoạt tính enzyme chống oxy hoá, đồng thời làm tăng hàm lượng alkaloid 44. Ngoài ra, thí nghiệm trên lúa mì cho thấy khi hạt được xử lý với nano chitosan 0,0625% đã có sự tăng đáng kể hoạt tính của enzyme chống oxy hóa như superoxide dismustase, peroxidase và catalase ở cây mạ khi gặp stress muối và từ đó làm giảm stress oxy hóa45.

Stress muối làm giảm đáng kể hàm lượng diệp lục tố trong lá do sự thay đổi số lượng, kích thước lục lạp, tổ chức của phiến màng kết nối các granum46, cũng như sự tăng cường tổng hợp chlorophyllase47. Mặt khác, sự tích lũy quá mức Na gây đóng khí khổng, làm giảm CO trong lá và dẫn đến giảm quang hợp. Chitosan làm giảm các bất lợi do muối nồng độ cao gây ra như duy trì cử động bình thường của khí khổng, duy trì tính ổn định của các protein liên kết với diệp lục tố giúp ổn định năng suất cây ớt ngọt48. Ở cây mạ lúa, nano chitosan duy trì hoạt động quang hợp và sự sinh trưởng trong điều kiện mặn. Tác động của nano chitosan phụ thuộc vào trọng lượng phân tử, nồng độ cũng như phương thức xử lý. Nano chitosan trọng 30.143 Da, 11.126 Da, 5.994 Da, và 4.592 Da được cắt bởi tia bức xạ gamma từ chitosan lượng 573.170 Da, độ deacetyl hoá 85% được sử dụng để khảo sát tác động bảo vệ cây mạ lúa trong điều kiện mặn (nồng độ NaCl 0,6%). Trong đó, phân đoạn 5.994 Da có hiệu quả cao nhất trong việc duy trì sự phát triển của cây mạ lúa in vitro ở điều kiện mặn thông qua sự cải thiện hình thái, các chỉ số về sinh lý (tăng hàm lượng sắc tố, tăng quang hợp, giảm hô hấp), giảm hàm lượng proline ở lá, kích hoạt sự biểu hiện của gen tổng hợp enzyme quét gốc tự do (ascorbate peroxidase) trong cây49, 50. Nano chitosan hiện đang được tập trung nghiên cứu để ứng dụng trong nông nghiệp do hoà tan được trong nước và có nhiều tính chất vật lý, hoá học độc đáo làm tăng hiệu quả sử dụng trên cây trồng.