Vào mùa hè, cây trồng phải đối mặt với nhiều áp lực như nhiệt độ cao, ánh sáng mạnh, hạn hán (căng thẳng nước) và stress oxy hóa. Betaine, với vai trò là một chất điều hòa thẩm thấu quan trọng và là chất tan tương thích bảo vệ, đóng vai trò thiết yếu trong khả năng chống chịu của cây trồng với những áp lực mùa hè này. Các chức năng chính của nó bao gồm:

1. Điều hòa thẩm thấu:
Duy trì áp suất trương của tế bào:

Nhiệt độ cao và hạn hán khiến cây trồng mất nước, dẫn đến tăng thế năng thẩm thấu tế bào chất (trở nên đặc hơn), dễ gây mất nước và héo úa ở các tế bào xung quanh không bào hoặc thành tế bào có khả năng hấp thụ nước mạnh hơn. Betaine tích tụ với lượng lớn trong tế bào chất, làm giảm hiệu quả thế năng thẩm thấu của tế bào chất, giúp tế bào duy trì áp suất trương cao, từ đó chống lại sự mất nước và duy trì tính toàn vẹn của cấu trúc và chức năng tế bào.

Áp suất thẩm thấu không bào cân bằng:

Một lượng lớn các ion vô cơ (như K⁺, Cl⁻, v.v.) tích tụ trong không bào để duy trì áp suất thẩm thấu. Betaine chủ yếu tồn tại trong tế bào chất, và sự tích tụ của nó giúp cân bằng chênh lệch áp suất thẩm thấu giữa tế bào chất và không bào, ngăn ngừa tổn thương tế bào chất do mất nước quá mức.

2. Bảo vệ các phân tử sinh học:
Cấu trúc protein ổn định:

Nhiệt độ cao dễ gây biến tính và bất hoạt protein. Phân tử betaine mang điện tích dương và âm (zwitterionic) và có thể ổn định cấu trúc tự nhiên của protein thông qua liên kết hydro và hydrat hóa, ngăn ngừa sự gấp nếp sai, kết tụ hoặc biến tính ở nhiệt độ cao. Điều này rất quan trọng để duy trì hoạt động của enzyme, các protein quan trọng trong quá trình quang hợp và chức năng của các protein chuyển hóa khác.

Hệ thống màng bảo vệ:

Nhiệt độ cao và các gốc oxy phản ứng có thể làm hỏng cấu trúc lớp kép lipid của màng tế bào (như màng thylakoid và màng sinh chất), dẫn đến tính lưu động bất thường của màng, rò rỉ và thậm chí là phân hủy. Betaine có thể ổn định cấu trúc màng, duy trì tính lưu động và tính thấm chọn lọc bình thường của màng, đồng thời bảo vệ tính toàn vẹn của các cơ quan quang hợp và bào quan.

3. Bảo vệ chống oxy hóa:
Duy trì sự cân bằng thẩm thấu và giảm thiểu thiệt hại thứ cấp do căng thẳng gây ra.

Ổn định cấu trúc và hoạt động của các enzyme chống oxy hóa (như superoxide dismutase, catalase, ascorbate peroxidase, v.v.), tăng cường hiệu quả của hệ thống phòng thủ chống oxy hóa của cây và gián tiếp giúp loại bỏ các loài oxy phản ứng.
Loại bỏ gián tiếp các loại oxy phản ứng:

Ánh nắng mạnh và nhiệt độ cao vào mùa hè có thể kích thích sản sinh một lượng lớn các gốc oxy phản ứng trong thực vật, gây tổn thương oxy hóa. Mặc dù bản thân betaine không phải là một chất chống oxy hóa mạnh, nhưng nó có thể đạt được thông qua:

4. Bảo vệ quá trình quang hợp:
Nhiệt độ cao và cường độ ánh sáng mạnh gây tổn hại đáng kể đến cơ chế cốt lõi của quang hợp, hệ thống quang hợp II. Betaine có thể bảo vệ màng thylakoid, duy trì sự ổn định của phức hợp hệ thống quang hợp II, đảm bảo chuỗi vận chuyển điện tử hoạt động trơn tru và giảm thiểu hiện tượng ức chế quang hợp.

5. Là chất cho metyl:

Betaine là một trong những chất cho methyl quan trọng trong cơ thể sống, tham gia vào chu trình methionine. Trong điều kiện căng thẳng, nó có thể tham gia vào quá trình tổng hợp hoặc điều hòa chuyển hóa một số chất phản ứng với stress bằng cách cung cấp các nhóm methyl.

Tóm lại, trong mùa hè nóng nực, chức năng cốt lõi của betaine đối với cây trồng là:

Giữ nước và chống hạn:chống mất nước thông qua điều hòa thẩm thấu.
Bảo vệ chịu nhiệt:bảo vệ protein, enzyme và màng tế bào khỏi bị hư hại do nhiệt độ cao.

Khả năng chống oxy hóa:tăng cường khả năng chống oxy hóa và giảm thiểu tổn thương do quang oxy hóa.
Duy trì quá trình quang hợp:bảo vệ các cơ quan quang hợp và duy trì nguồn cung cấp năng lượng cơ bản.

Do đó, khi thực vật nhận biết các tín hiệu căng thẳng như nhiệt độ cao và hạn hán, chúng sẽ kích hoạt con đường tổng hợp betaine (chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa choline hai bước trong lục lạp), tích cực tích lũy betaine để tăng cường khả năng chống chịu căng thẳng và cải thiện khả năng sống sót trong môi trường mùa hè khắc nghiệt. Một số cây trồng chịu hạn và chịu mặn (như củ cải đường, rau bina, lúa mì, lúa mạch, v.v.) có khả năng tích lũy betaine mạnh.

Trong sản xuất nông nghiệp, việc phun betaine ngoại sinh cũng được sử dụng như một chất kích thích sinh học để tăng cường sức đề kháng của cây trồng (như ngô, cà chua, ớt, v.v.) đối với nhiệt độ cao vào mùa hè và hạn hán.