Axit abxixic (ABA) là một sesquiterpenoid 15 carbon của 3 đơn vị isoprene (hình 3.11) được sản sinh cục bộ trong lục lạp và những bào quan khác theo con đường chu trình mevalonic acid. Có hai con đường để tạo thành ABA sau khi mevalonic tạo thành isopentenyl pyrophosphate như trong hình 3.6.
Con đường thứ nhất là sự biến đổi của isopentenyl pyrophosphate qua nhiều bước để tạo thành farnesyl pyrophosphate mới sinh ra ABA. Con đường thứ hai là từ isopentenyl pyrophosphate tạo thành carotenoid rồi qua một loạt biến đổi để sinh ra ABA.
Sự bất hoạt của axit abxixic
ABA có thể được chuyển hóa theo hai con đường khác nhau: Nó có thể được biến đổi thành abscisyl-β-D-glucosepyranoside của một phản ứng thuận nghịch hoặc nó có thể biến đổi không thuận nghịch thành 6’-hydroxymethyl ABA, phaseic acid hoặc 4’-dihydrophaseic acid (hình 3.11) ABA cũng có thể bất hoạt bởi sự kết hợp của glucose với nhóm carboxyl của ABA để tạo thành một ABA-glucose ester.
Những ảnh hưởng sinh lý của axit abxixic
ABA phân phối rộng trong giới thực vật như thực vật bậc cao, rêu, tảo lục, nấm, mới đây cũng thấy trong nảo chuột. Tuy nhiên nó chưa được tìm thấy trong vi khuẩn.
Axit abxixic là một sản phẩm tự nhiên liên quan đến nhiều lĩnh vực sinh trưởng và phát triển của thực vật như ức chế sinh trưởng, kích thích sự phát triển phôi bình thường, tích lũy prôtêins trong hạt và sự đáp ứng nổi bật với stress.
ABA hoạt động như một tính hiệu cho biết cây trong tình trạng stress, tuy nhiên, nó cũng liên quan với những quá trình sinh lý thông thường trong cây. Sau đây là những ảnh hưởng sinh lý của ABA:
– Đóng mở khí khổng: Vai trò quan trọng của ABA như là một chất cảm ứng với stress đã được biết trong nhiều năm qua. Xử lý ABA ngoại sinh gây đóng khí khổng trong điều kiện sáng và duy trì cho đến khi ABA bị chuyển hóa. Trong điều kiện stress do thiếu nước ABA có thể gia tăng lên 20 lần.
Sự stress do thiếu nước ở rễ cũng sản sinh ra ABA rồi di chuyển đến lá và toàn cây để làm cho khí khổng đóng lại. Khi cây nhận ánh sáng trong điều kiện không bị stress, có một dòng di chuyển của potassium vào những tế bào bảo vệ nhờ vào bơm ATP-phụ thuộc với K+ nằm trong màng plasma của tế bào bảo vệ trong khi H+ và các acid hữu cơ như malic acid được vận chuyển ra ngoài.
Khi điều này xảy ra, thế năng thẩm thấu trở nên âm và tế bào giảm thế năng nước, nước đi vào tế bào và làm cho khẩu mở (hình 3.12).
Khi cây bị stress sẽ làm cho K+ đi ra khỏi tế bào bảo vệ trong khi H+ và các acid hữu cơ đi vào làm cho khẩu đóng lại. ABA ngăn cản sự mở khí khổng trong điều kiện sáng bằng cách cản trở quá trình trên cho đến khi bị chuyển hóa hoàn toàn.
– Bảo vệ chống lại stress do mặn và nhiệt độ: Hàm lượng ABA gia tăng khi cây bị stress do mặn, lạnh và nóng. Những sự biến đổi này là nguyên nhân của sự thiếu nước. Việc xử lý ABA ngoại sinh có thể làm cho một số loài cây chống lại điều kiện lạnh và mặn.
– Miên trạng: Trong điều kiện ngày ngắn, hàm lượng ABA gia tăng trong lá và mầm chồi đã dẫn đến sự miên trạng. Tuy nhiên cũng có trường hợp trong điều kiện ngày ngắn gây ra sự miên trạng trong vài loài lại không có sự gia tăng ABA nội sinh. Việc xử lý ABA ngoại sinh lên mầm chồi và lên hạt đã kích thích miên trạng của chúng.
– Sự rụng, sự nảy mầm của hạt và sự sinh trưởng: Từ khi mới được phát hiện, ABA được xem là chất gây nên sự rụng lá, trái và hoa. Thật ra điều đó không hoàn toàn đúng và ABA không trực tiếp ảnh hưởng lên sự rụng. ABA có thể tác động gián tiếp lên quá trình lão hóa trước trưởng thành và làm gia tăng sự sản sinh ethylene và ethylene đánh thức một số gene liên quan đến sự rụng.
Ngày nay người ta biết rằng ABA có nhiều ảnh hưởng về mặt sinh lý, sinh hóa và phân tử trong hạt cũng như có mặt phổ biến trong lúc hạt phát triển. Tuy nhiên vai trò trực tiếp của ABA đối với các quá trình này vẫn còn chưa rõ.
2. Etilen
Etilen là một hydrocarbon không no đơn giản, nó kích thích sự chín của trái và gây ra một đáp ứng bộ ba trong những cây đậu Hà Lan úa vàng bao gồm sự ức chế vươn dài, gia tăng sự nghiêng và sinh trưởng ngang của thân đáp ứng với trọng lực. Etilen có cấu trúc đơn giản nhất so với những chất điều hòa sinh trưởng thực vật đã biết.
Sinh tổng hợp etilen
Etilen là chất điều hòa sinh trưởng thực vật ở dạng khí, nó có liên quan nhiều tới các quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật từ sự nẩy mầm của hạt đến lão hóa và chết. Sự sinh tổng hợp etilen là một chu trình được thể hiện tốt nhất so với bất kỳ chất điều hòa sinh trưởng thực vật đã biết. Etilen được tổng họp từ Methionine như minh họa trong hình 3.14. Methionine được biến đổi thành
S-adenosylmethionine (SAM) theo con đường của enzyme SAM synthetase. Một phần của SAM được lập lại chu trình trong chuỗi sau: Methyl thioadenosine thành Methyl thioribose, thành Methyl thioribose-1-phosphate, thành 2-keto-4- methyl butyrate và trở lại Methionine. SAM cũng đi theo hai con đường khác, con đường thứ nhất là biến đổi thành S-adenosylmethyl thio propylamin bởi enzyme SAM decarboxylate và đi vào sự sinh tổng họp polyamine.
Con đường khác là thành 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) theo con đường của enzyme ACC synthase và biến đổi theo hai hướng, nó có thể được biến đổi thành etilen do ACC oxidase hoặc thành malonyl-ACC (một sản phẩm cuối bất hoạt) theo con đường của enzyme ACC N-malonyl-transferase.
HCN được phóng thích ra trong sự biến đổi ACC thành etilen có thể kết hợp với cystein để tạo thành cyanoalanine và H2S theo con đường của enzyme β-cyanoalanine synthase. Qua những thí nghiệm được đánh dấu cho thấy rằng methionine được sử dụng theo hai cách: C-5 nối với sulphur được lặp lại chu trình, C-3, 4 được dùng cho etilen, C-2 trong HCN, và C-1 được dùng để thành lập CO2.
Có nhiều nghiên cứu về sinh tổng hợp etilen tập trung ở bước giữa SAM và etilen. Có nhiều yếu tố có thể kích thích sự sinh tổng họp etilen, một trong những yếu tố đó chính là etilen. Quá trình này được gọi là quá trình tự xúc tác sản xuất etilen. Etilen trước tiên kích thích ACC oxidase theo sau bởi sự gia tăng đáng kể hoạt tính của ACC synthase.
Ngày nay, prôtêin của ACC synthase và ACC oxidase đã được thanh lọc và gene của nó cũng đã được tách ròng trong nhiều mô, ACC N-malonyltransferase cũng đã được thanh lọc và đặc tính hóa. Từ khi những gene về ACC synthase và ACC oxidase được thanh lọc, chúng đã được sử dụng để bổ sung cho sự chín của trái. Những khả năng của nó về điều hòa những quá trình sinh lý cây trồng cũng đã được phát hiện.
Sự kích thích tổng hợp etilen của Auxin
Auxins điều hòa sự sản xuất etilen đã được nghiên cứu bởi Zinmerman và Wilcoxon (1935). Họ đã thấy rằng khi áp dụng heteroauxin (IAA) lên chồi cây đã kích thích sự sinh trưởng nghiêng của những cây được xử lý và không xử lý khác được đặt cùng trong một thùng kín.
Sự quan sát này cùng với khả năng của auxin và etilen gây ra một số ảnh hưởng tương tự đã cho thấy rằng những đáp ứng này là thuộc tính của auxin có thể được gây ra do etilen. Ý tưởng này đã không được lưu ý cho mãi đến 29 năm sau khi Morgan và Hall (1964) trình bày một quan hệ song phương giải thích những đáp ứng của auxin và etilen.
Cả hai tác giả đã độc lập phát hiện khả năng của auxin kích thích sinh tổng hợp etilen. Ngày nay, nói chung người ta chấp nhận rằng auxin kích thích sự sản sinh etilen được điều hòa bởi mức độ nội sinh của auxin (hình 3.15).
Sự sản sinh etilen do stress
Khuynh hướng của stress để kích thích sản xuất etilen đã được thay bằng thuật ngữ “Stress etilen”. Một số lượng lớn của stress như hóa chất, khô hạn, ngập lụt, phóng xạ, thiệt hại do côn trùng, bệnh, thương tổn cơ khí, và những loại khác đã cho thấy kích thích sản xuất etilen (hình 3.15). Stress etilen có biến dưỡng căn bản và được sản xuất bởi tế bào sống. Khi tế bào chất không có sự sản sinh etilen.
Những ảnh hưởng sinh lý của etilen
– Sự chín của trái: Những người Ai Cập cổ đại đã không biết rằng sự sản sinh etilen gia tăng là kết quả của việc gây vết thương bằng cách cắt những trái vả để kích thích sự chín. Ngày nay sự chín của trái đã được biết là do etilen điều hòa. Etilen cũng đóng một vai trò thiết yếu trong sự chín của trái đã già.
Thuật ngữ “climacteric”(già mãn dục) để ám chỉ những trái sẽ chín trong sự đáp ứng với etilen và “nonclimacteric” (chưa già, chưa mãn dục) ám chỉ những trái sẽ không đáp ứng với etilen. Etilen từ nồng độ không thể phát hiện cho đến 0,1 đến 1 µL/L kích thích sự chín của trái bộc lộ một sự tăng tính mãn dục trong hô hấp (ví dụ táo và lê), trái lại những trái không mãn dục tổng hợp rất ít etilen và không được kích thích đến chín (ví dụ nho và cherry).
Thuật ngữ climacteric (mãn dục) được dùng lần đầu tiên để chỉ sự gia tăng trong hô hấp của trái, tuy nhiên ngày nay nó bao hàm sự gia tăng trong sản sinh etilen. Sự tổng hợp etilen đã giảm đáng kể trong những cây cà chua chuyển gene bởi sự thể hiện của những cấu trúc gene không nhạy cảm với ACC oxidase, ACC synthase, bởi sự thể hiện của cấu trúc gene nhạy cảm với ACC deaminase và trong tất cả các trường hợp trì hoãn một cách có ý nghĩa sự chín của trái.
Ngày nay, với những cây chuyển gene đã cho thấy mức độ giảm etilen có liên quan đến sự trì hoãn sự chín. ACC N-MTase là một enzyme có khả năng đáp ứng với sự chuyển đổi của ACC thành MACC bất hoạt. Sự phát hiện này cho phép những nhà nghiên cứu phân lập gene ACC N-MTase và dùng gene nầy để những cây chuyển gene kéo dài sự chín của trái giống như với gene deaminase. Tuy nhiên ở đây một gene của cây được dùng thay vì một gene của vi khuẩn để bất hoạt ACC.
– Sự phát triển của cây con: Năm 1901, Neljubow đã minh họa đáp ứng bộ ba cho thấy rằng etilen ức chế sự vươn dài, kích thích sự nở rộng theo chiều ngang và sự phát triển theo chiều ngang. Ngày nay người ta biết rằng etilen có thể ức chế hoặc kích thích sự vươn dài của thân, rễ hoặc những cơ quan khác. Sự ức chế sự vươn dài đã có biểu hiện nhanh và có thể đảo ngược.
Etilen cũng có biểu hiện kích thích sự vươn dài ở thân và rễ. Tuy nhiên, điều này xảy ra ở tốc độ chậm hơn là sự ức chế. Thời gian giữa hai sự kiện kéo dài đã được ghi nhận trong nhiều nghiên cứu dẫn đến giả thuyết rằng sự kích thích sinh trưởng của etilen có thể là một ảnh hưởng gián tiếp.
Đáp ứng bộ ba kích thích bởi etilen có thể họat động như một cơ chế tồn tại trong cây con. Đáp ứng bộ ba dựa trên tính sinh trưởng ngang, sự phồng lên và sự ức chế chiều cao thân (hình 3.16). Ví dụ: Khi một cây đậu Hà Lan gặp phải một thanh cản như bề mặt cứng của đất, đá, hoặc vật nào đó giới hạn sự nhô lên của nó, nó sẽ đáp ứng với sự sinh trưởng bộ ba, cho phép nó đâm thủng hoặc đi chung quanh chướng ngại, do đó cho phép nó vươn tới bề mặt đất và phát triển. Khi sự sản sinh etilen trong vùng móc câu của cây con lên rất cao giúp nó duy trì hình móc câu chặt chẽ (đậu Hà Lan hoặc đậu) cho phép nó vượt qua áp lực vật lý khi va chạm với đất mà không bị tổn thương. Khi cây con nhận được ánh sáng đỏ, sự sản sinh etilen sẽ giảm. Kết quả là móc mở. Điều này họat động như một cơ chế an toàn, ngăn cản sự mở trước của móc và thương tổn đến cây con trước khi nhô ra.
– Sự rụng: Sư rụng có thể được định nghĩa như sự tách ra của một cơ quan hoặc một phần cây từ cây cha mẹ. Quá trình rụng rất quan trọng trong nông nghiệp bởi vì sự rụng hoặc không rụng của hoa, trái và lá ảnh hưởng đến năng suất và hiệu quả của quá trình thu họach.
Etilen được xem là có vai trò tự nhiên trong việc điều hòa tốc độ rụng. Ba yếu tố làm bằng chứng về vai trò của etilen trong sự rụng đã được đề nghị bởi Reid (1985).
Trước nhất sự sản sinh etilen gia tăng trước khi rụng trong nhiều cơ quan của cây đang rụng.
Thứ hai, xử lý etilen trên nhiều loài hoặc những hợp chất phóng thích etilen kích thích sự rụng. Thứ ba, những chất ức chế sự sinh tổng hợp etilen hoặc ức chế họat động của etilen sẽ ức chế sự rụng.
– Sự trổ hoa: Nhiều năm qua người ta đã quan sát rằng khói từ gỗ thúc đẩy trổ hoa trong cây khóm và xoài. Ngày nay người ta biết rằng etilen là thành phần cơ bản trong khói gia tăng quá trình trổ hoa. Etilen trong phần lớn trường hợp ức chế trổ hoa; tuy nhiên nó có ảnh hưởng kích thích trong cây khóm (dứa), xoài và vải.
Cây có thể được xử lý với etilen trực tiếp hoặc thông qua việc xử dụng những chất phóng thích etilen như ethrel (2-chloroethyl phosphoric acid) là một dạng tổng hợp của etilen khi ở thể lỏng với pH thích hợp thì không sản xuất etilen. Tuy nhiên, khi pH được nâng lên nó phân hủy để tạo thành etilen hoặc gián tiếp với auxin nó kích thích sản sinh etilen một cách tự nhiên.
– Sự lão hóa: Lão hóa có thể được định nghĩa như một thất bại chung của nhiều phản ứng tổng hợp trước khi tế bào chết và là một pha của sự sinh trưởng cây trồng kéo dài từ giai đoạn chín hoàn toàn đến chết và được đặc tính hóa bởi sự phân rã diệp lục tố, prôtêin, hoặc RNA cũng như những yếu tố khác.
Cả lá và hoa được xử lý với etilen ngoại sinh kích thích quá trình lão hóa và gia tăng sự sản sinh etilen. Cần chú ý rằng có những trường hợp ngoại lệ, etilen không đơn lẻ liên quan đến quá trình lão hóa. Bleecker và ctv (1988) cho thấy rằng trên lá của cây Arapidopsis biến dị không nhạy cảm với etilen (etr) già đi với tốc độ chậm hơn dạng hoang dại; tuy nhiên chúng vẫn già đi, điều này cho thấy rằng etilen không phải là yếu tố duy nhất có liên quan đến lão hóa. Thêm vào đó có nhiều cây tỏ ra không gia tăng sản sinh etilen trước khi lão hóa. Những trường hợp này có thể là do sự gia tăng tính nhạy cảm của cây với etilen hơn là sự gia tăng hàm lượng etilen.
– Những ảnh hưởng sinh lý khác: Etilen cũng có liên quan đến quang hợp, hô hấp, vận chuyển, miên trạng, sự nẩy mầm của hạt, nhú chồi, ưu thế chồi ngọn, sinh trưởng tế bào, nuôi cấy mô, thành lập phôi, sự nghiêng, sự khởi sinh rễ, những cơ quan dự trữ, sự thành lập gỗ, sự ức chế mầm hoa, sự phát triển giới tính, địa hướng động, sự rỉ nhựa và sự thành lập nhựa mủ của cây.
