Cơ chế hấp thụ, vận chuyển và thải độc Cd ở cây trồng

Gần đây mình có đọc được thông tin về 30 lô sầu riêng Việt Nam bị Trung Quốc trả hàng vì nhiễm Cd. Về Cd thì là một kim loại nặng thường đi có trong Phosphor (Về chất này mình đã có một bài viết rồi, mọi người có thể tìm lại để đọc). Điều này là điều mình khá là quan tâm vì mình đang bán phân bón cho Sầu riêng nên ít nhiều nó cũng ảnh hưởng. Trong bài báo thì giám đốc của Vinacam chỉ ra có thể do lô DAP Hàn Quốc vượt ngưỡng Cd được một số công ty khác nhậu lậu gây nên. Nhưng khi nói chuyện với một vài đại lý, các đại lý nói lý do DAP vượt ngưỡng gây nhiễm Cd là chưa đủ thuyết phục vì bản thân cây sầu riêng là một cây hút có chọn lọc, nó không dễ gì hút một lượng lớn Cd vào cây mà được và cây có nhiều cơ chế phòng thủ khác nữa, nên lý do là bón DAP là chưa đủ sức thuyết phục. Và đến hiện tại thì BNN&PTNT vẫn chưa tìm ra được nguyên nhân. Trong thời gian đó, mình đã tìm những nghiên cứu về cơ chế hấp thụ và đào thải Cd trong cây được diễn ra như thế nào. Nghiên cứu sau đây của Jin-Song Luo, Zhenhua Zhang thực hiện trên cây lúa và một cây siêu tích luỹ Cd (Cd-hyperaccumulator plants) là Thalassiosira weissflogii sẽ cho chúng ta hiểu rõ hơn về cơ chế hấp thụ, xử lý và thải độc Cd ở thực vật.

1.     Cd tích luỹ trong thực vật

Cd hiện diện trong đất chủ yếu ở dạng không hòa tan và không có khả dụng sinh học cho cây trồng. Tuy nhiên, thực vật có thể tăng khả năng hòa tan Cd bằng cách giải phóng dịch tiết ra khỏi rễ làm thay đổi độ pH của vùng rễ. Sự hấp thu Cd xảy ra chủ yếu thông qua con đường apoplastic và symplastic. Con đường apoplastic là một quá trình khuếch tán thụ động. Con đường symplastic là một quá trình vận chuyển qua màng plasma tiêu tốn năng lượng và vận chuyển tích cực, đòi hỏi nồng độ và gradient điện thế điện hóa. Khi Cd xâm nhập vào rễ, nó tạo thành một phức hợp với nhiều tác nhân chelat khác nhau. Những phức hợp này được cố định trong thành tế bào, tế bào chất hoặc không bào, do đó làm mất độc tính. Việc lưu trữ Cd trong không bào rễ làm giảm độc tính và tăng khoảng cách xa đến chồi. Cd được cô lập trong chồi và quá trình giải độc xảy ra ở thành tế bào hoặc không bào thực vật.

Cd không có hoạt tính sinh học đối với hầu hết các sinh vật sống, mặc dù sự tích lũy của nó, giống như Zn và Ni, được cho là có tác dụng bảo vệ chống lại động vật ăn cỏ ở thực vật siêu tích lũy. Theo đó, trong quá trình tiến hóa, khó có khả năng các hệ thống vận chuyển dành riêng cho các kim loại không thiết yếu hoặc thậm chí có độc tính cao như Cd sẽ được chọn. Cd có thể được hấp thụ bởi các chất vận chuyển màng plasma của các nguyên tố thiết yếu trong rễ có độ chọn lọc cơ chất thấp. Hình 1A và B thể hiện sơ đồ vận chuyển Cd tương ứng ở A. thaliana và rễ lúa.

1.1  Những chất vận chuyển hấp thụ cd trong thực vật

Các chất vận chuyển Cd được xác định cho đến nay đã được chia thành nhiều họ dựa trên sự giống nhau về trình tự của chúng. Chúng bao gồm các chất  protein vận chuyển được điều hòa bằng kẽm(zinc-regulated transporters protein), protein vận chuyển được điều hòa bằng sắt (iron-regulated transporter proteins) viết tắt là (ZIP), các protein đại thực bào liên quan đến sức đề kháng tự nhiên (NRAMP - natural resistance-associated macrophage proteins) và các protein dung nạp kim loại (MTP - metal tolerance proteins).

Các chất vận chuyển thuộc họ ZIP thực vật tham gia vào quá trình tích tụ kim loại nặng, bao gồm cả việc hấp thụ và vận chuyển nhiều cation từ rễ đến chồi. Ví dụ, AtIRT1 được biểu hiện chủ yếu ở lớp biểu bì rễ, với biểu hiện thấp hơn ở vỏ rễ. Trong điều kiện thiếu sắt, sự tích lũy Cd ở các đột biến loại bỏ irt1 giảm đáng kể. OsIRT1 và OsIRT2 được tạo ra ở rễ bị thiếu sắt và cho thấy hoạt động vận chuyển Cd khi biểu hiện ở nấm men. Do đó, thiếu sắt làm tăng biểu hiện của các chất vận chuyển này và thúc đẩy sự hấp thụ và vận chuyển Cd. IRT1 cũng có thể tham gia vào quá trình hấp thụ Cd ở cây siêu tích lũy Noccaea caerulescens. Gần đây, Tan và cộng sự, cho thấy ở cây lúa, đột biến kép của hai gen vận chuyển kẽm, OsZIP5 và OsZIP9, biểu hiện chủ yếu ở vỏ não và nằm trên màng tế bào, làm giảm sự hấp thu Zn và Cd của cây. Những kết quả này cho thấy những gen này điều hòa sự hấp thu Zn và Cd một cách hiệp đồng.

Các chất vận chuyển thuộc họ NRAMP cũng tham gia vào quá trình hấp thụ và vận chuyển Cd ở thực vật. Ví dụ, AtNRAMP3/4 chịu trách nhiệm về dòng Fe, Mn và Cd từ không bào ở A. thaliana. Ở cây lúa, chất vận chuyển Fe OsNRAMP1 tham gia vào quá trình hấp thu và vận chuyển Cd và Mn. Ngược lại, OsNRAMP5 là chất vận chuyển chịu trách nhiệm chính cho sự hấp thu Mn và Cd trong rễ lúa, đồng thời hàm lượng Mn và Cd trong rễ và chồi đột biến nramp5 thấp hơn đáng kể so với lúa hoang. OsMTP8 và OsNRAMP5 phối hợp kiểm soát quá trình hấp thu và chuyển vị Mn. Tuy nhiên, OsMTP8 không có tác dụng vận chuyển Cd. Sự biểu hiện của TpNRAMP5 lúa mì trong cây Arabidopsis làm tăng tích lũy Cd, Co và Mn nhưng không ảnh hưởng đến tích lũy Zn và Fe. MicroRNA166 và RING E3 ligase OsHIR1 cũng điều chỉnh sự hấp thu và tích lũy Cd trong lúa.

1.2  Chuyển vị và tái phân bổ Cd

Các chất vận chuyển ATPase kim loại nặng (HMA - Heavy-metal ATPase) chịu trách nhiệm vận chuyển Cd khoảng cách xa từ rễ đến chồi. Chúng thủy phân ATP và thải Cd từ tế bào chất sang apoplast theo gradient điện hóa. Ví dụ, ba protein định vị màng huyết tương: AtHMA4, AtHMA2 và OsHMA2, chịu trách nhiệm điều hòa dòng Cd vào tấm bia để tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển Zn và Cd từ rễ đến chồi trong cây Arabidopsis và lúa. Theo đó, sự biểu hiện tăng lên và sự nhân lên gấp ba của HMA4 là nguyên nhân gây ra tính siêu dung nạp và sự tích lũy quá mức Cd ở A. halleri và N. caerulescens.

CAL1 và CAL2, là các protein giống defensin (Defensin là các protein cation nhỏ giàu cysteine ​​trong suốt quá trình sống của tế bào, bao gồm cả động vật có xương sống và động vật không xương sống, thực vật và nấm. Chúng là các peptide bảo vệ vật chủ, với các thành viên thể hiện hoạt động kháng khuẩn trực tiếp, hoạt động truyền tín hiệu miễn dịch hoặc cả hai.) trong lúa, có thể tạo phức với Cd tế bào chất để tạo thành phức hợp và bài tiết chúng vào nhựa xylem thông qua vận chuyển đường dài, do đó điều chỉnh sự tích tụ Cd trong chồi. Gần đây, có báo cáo rằng chất sieu vận chuyển họ OsCd1 hỗ trợ chính, được biểu hiện chủ yếu ở vỏ rễ và nằm trên màng tế bào, làm trung gian cho sự tích lũy Cd khác biệt được quan sát thấy trong hạt lúa indica và japonica. Cd trong chồi lúa được phân phối đến hạt chủ yếu thông qua OsHMA2, một chất vận chuyển cation ái lực thấp Oryza sativa 1 (OsLCT1), OsZIP7, PCR1, LCD, OsPCS1, OsPCS2 và OsCCX2 [54–61]. OsLCT1, biểu hiện chủ yếu ở các nút thân, chịu trách nhiệm vận chuyển phloem Cd vào hạt trong giống japonica tiêu chuẩn . Hình 1C thể hiện sơ đồ về sự tham gia của chất vận chuyển vào quá trình phân phối Cd trong chồi.

1.3  Cô lập Cd trong không bào

Không bào là bào quan dự trữ nhiều ion. Một số chất vận chuyển có thể vận chuyển phức hợp Cd và phytochelatin (PC)-Cd tự do đến không bào. Chúng bao gồm các bộ vận chuyển băng cassette liên kết ATP (ABCC), NRAMP, bộ trao đổi H+/cation (CAX) và HMA, trước đây đã được nghiên cứu. Trong số này, ba chất vận chuyển màng không bào ABCC là ABCC1, ABCC2 và ABCC3 đóng vai trò quan trọng trong việc cô lập phức hợp PC-Cd. Hai chất vận chuyển Màng không bào NRAMP, NRAMP3 và NRAMP4, đóng một vai trò quan trọng trong dòng Cd tự do từ không bào đến bào tương. Trong số các CAX, AtCAX2 và AtCAX4 là các chất vận chuyển được định vị trong Màng không bào, không chỉ đặc trưng cho Ca mà còn có thể vận chuyển các kim loại khác, bao gồm Cd, bằng cách sử dụng gradient proton để kiểm soát việc lưu trữ Ca và Cd trong không bào. Thực vật siêu tích lũy Cd A. halleri đã cho thấy khả năng chịu đựng Cd tăng lên khi biểu hiện AhCAX1 tăng lên. Đối với HMA, AtHMA3 chịu trách nhiệm lưu trữ Cd trong không bào và đã được phát hiện bởi nghiên cứu liên kết toàn bộ bộ gen (GWAS) [65,66] là yếu tố chính quyết định sự biến đổi tự nhiên của lá Cd ở A. thaliana. Ở cây lúa, OsHMA3 cũng có thể cô lập Cd vào không bào; biến thể tự nhiên của một đột biến axit amin đơn lẻ của OsHMA3 có thể giải thích sự khác biệt về tích lũy Cd giữa hai giống lúa [67,68]. Biểu hiện NcHMA3 và SaHMA3 cao hơn có liên quan đến tình trạng tăng tích lũy Cd ở N. caerulescens và Sedum alfredii [69,70]. Gần đây, Liu và cộng sự. [71] đã báo cáo rằng SpHMA3 chịu trách nhiệm cô lập và giải độc Cd trong không bào lá non của cây Sedum Plumbizincicola.

2.     Cơ chế giải độc Cd

Dưới áp lực tích lũy Cd, thực vật bắt đầu một loạt các phản ứng cơ chế làm giảm độc tính của Cd, bao gồm tách không bào, thải tế bào chất và giải độc thành tế bào.

2.1  Glutathione and phytochelatin

Glutathione (GSH) và phytochelatin (PC) là các peptide phi protein liên quan đến việc giải độc Cd và duy trì cân bằng oxy hóa khử tế bào [72]. PCS là các peptide nhỏ giàu cysteine có cấu trúc cơ bản (c-Glu-Cys)n Gly; với n nằm trong khoảng từ 2 đến 11. Chúng được GSH tổng hợp dưới dạng chất nền dưới tác dụng của phytochelatin synthase (PCS) [73–75]. Hiện tại người ta tin rằng cơ chế chính của quá trình giải độc Cd qua trung gian PC là sự thải sắt của PC để tạo thành một phức hợp, sau đó được vận chuyển vào không bào bởi các chất vận chuyển ABC. Ở cây lúa, ABCG36, ABCG43 và OZT1 đã được báo cáo là trung gian cho khả năng kháng Cd, nhưng cơ chế phân tử vẫn chưa được biết rõ.

2.2  Metallothionein

Metallothionein (MT) là một peptide nhỏ có hàm lượng cystein là 15%–30%. MT có hoạt tính liên kết kim loại và được tìm thấy rộng rãi ở sinh vật nhân thực và vi khuẩn lam. Nó liên quan đến sự cân bằng và khả năng chịu đựng Zn, Cu và Cd trong sinh vật. Gần đây, Peng và cộng sự, gợi ý rằng mức độ phiên mã tăng cao và sự biến đổi tự nhiên trong các chuỗi protein của protein SpMTL giống MT, hoạt động như một protein thải sắt Cd trong tế bào chất, là nguyên nhân gây ra tình trạng tăng tích lũy Cd và tăng khả năng dung nạp ở siêu tích lũy S. Plumbizincicola. Gen giống MT DcCDT1 ở Digitaria ciliaris và gen tương đồng cây lúa của nó, OsCDT1, khi được biểu hiện dị loại trong tế bào nấm men và A. thaliana, làm tăng khả năng chịu đựng Cd bằng cách giảm hàm lượng Cd trong tế bào chất. HsfA4a của lúa mì và gạo làm tăng khả năng chống chịu Cd bằng cách điều chỉnh tăng biểu hiện gen MT.

2.3  Defensins thực vật

Các cuộc điều tra trong vài thập kỷ qua đã tiết lộ rằng một loại chất bảo vệ thực vật giàu cysteine khác đóng vai trò quan trọng trong việc phân bổ và giải độc Cd. Các thí nghiệm in vitro cho thấy defensin 5 (HD5) của con người có hoạt tính chelat Zn và Cd. Sự biểu hiện dị loại của gen defensin thực vật loại 1 (PDF1) làm tăng khả năng chống chịu Zn, nhưng không làm tăng khả năng chống chịu Cd ở nấm men và thực vật. Gần đây, Luo và cộng sự, đã xác định chức năng của Arabidopsis defensin AtPDF2.5, nằm trong thành tế bào của bó mạch xylem, làm trung gian thải Cd trong tế bào chất và bài tiết phức hợp AtPDF2.5-Cd vào apoplast. Mất chức năng AtPDF2.5 làm giảm khả năng dung nạp và tích lũy Cd ở cây Arabidopsis. Các báo cáo sau đó cho rằng sự gián đoạn chức năng của AtPDF2.2, AtPDF2.3 và AtPDF2.6 đã làm tăng độ nhạy Cd ở cây Arabidopsis. Các nghiên cứu về protein nhựa cây Xylem đã xác định được protein BnPDFL giống defensin thực vật, hiện diện duy nhất trong các mẫu được xử lý bằng Cd và có thể làm tăng khả năng chống chịu Cd của hạt cải dầu (Brassica napus).

2.4  Thành tế bào thực vật

Thành tế bào bao gồm chủ yếu là cellulose, hemicellulose và pectin. Lý thuyết hiện tại cho rằng các vị trí âm điện trên các thành phần của thành tế bào cho phép các cation được hấp phụ vào thành tế bào. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng thành tế bào làm tăng khả năng chống chịu Cd của thực vật bằng cách ngăn chặn Cd xâm nhập vào tế bào rễ. Pectin là thành phần chính của thành tế bào liên kết với kim loại nặng. Các phân tích phiên mã và sinh lý cũng đã chỉ ra tầm quan trọng của vai trò của thành tế bào trong quá trình tích lũy và giải độc Cd ở S. Plumbizincicola. Gần đây, nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã phát hiện ra rằng boron làm giảm độc tính của Cd đối với hạt cải dầu bằng cách tăng thải Cd lên thành tế bào ở chồi và rễ. Phương pháp tiếp cận đa omics  cho thấy vai trò then chốt của thành tế bào trong việc xác định khả năng kháng độc tính của Cd của hạt cải dầu. Các thí nghiệm sinh lý khác đã chỉ ra rằng sự hấp thụ polysaccharide của thành tế bào tạo ra sự khác biệt về khả năng dung nạp Cd giữa hai kiểu gen A. thaliana

----------------------------------------------------

Hy vọng qua bài dịch trên mọi người hiểu hơn về cơ chế hấp thụ, vận chuyển và giải độc Cd trong thực vật.

Về giải thuyết nguyên nhân nhiễm Cd ở Sầu Riêng, mình và đại lý đưa ra giải thuyết là do các loại Phân bón lá và chất ngâm sầu riêng giúp chín sớm là 2 nguyên nhân gây dư thừa Cadimi. Lý do là vì nếu nông dân sử dụng phân bón lá không chất lượng sẽ tồn dư Cadimi trong phân bón lá, khi người dân phun PBL thì nó sẽ bám lên vỏ quả. Và khi người ta lấy mẫu sầu riêng thì nó bám lên quả và gây tồn dư hàm lượng Cadimi.

Bài viết này mình tập trung chủ yếu vào cơ chế trên, ngoài ra còn có các cách giảm hàm lượng Cadimi trong đất, mọi người có thể đọc thêm tại bài nghiên cứu gốc.

1. Luo, J. S., & Zhang, Z. (2021). Mechanisms of cadmium phytoremediation and detoxification in plants. The Crop Journal, 9(3), 521-529.

2. 30 lô sầu riêng xuất khẩu nhiễm cadimi: Kim loại nặng này từ đâu ra? (vov.vn)