Protein TF truyền tín hiệu stress sinh học và phi sinh học để cải tiến giống cây trồng

Nguồn: Baillo EH, Kimotho RN, Zhang Z, Xu P. 2019. Transcription Factors Associated with Abiotic and Biotic Stress Tolerance and Their Potential for Crops Improvement. Genes (Basel). 2019 Sep 30;10(10). pii: E771.

Trong điều kiện ngoài đồng ruộng, cây trồng bị ảnh hưởng mang tính chất tổng hợp bởi stress phi sinh học: khô hạn, lạnh, mặn, nóng cũng như stress sinh học: sâu hại và bệnh hại. Hung stress như vậy làm ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Hung ảnh hưởng trước mắt và lâu dài của biến đổi khí hậu yêu cầu chúng ta phải cải tiến giống cây trồng thích ứng với những stress kể trên thông qua tính trạng chống chịu stress. Cây trồng đã và đang tiến hóa hết sức tinh tế đáp ứng lại stress, và các gen mã hóa protein TF (transcription factors) là những phân tử “regulators” chủ yếu đối với các gen có chức năng đáp ứng lại stress nào đó, đây là những ứng cử viên xuất sắc phục vụ cải tiến giống cây trồng. Ví dụ trong những thí nghiệm gần đây người ta kết luận nhiều mô hình gen mã hóa TF và các phương pháp làm cho chúng thể hiện mạnh mẽ trong các loài cây trồng, nhằm tăng cường tính trạng chống chịu của cây đối với stress. Tuy nhiên, điều còn phải tiếp tục làm là phát hiện thêm những protein TFs vô cùng đa dạng trong thực vật. Trong hơn 80 họ protein TF, chỉ có một vài họ, ví dụ như NAC, MYB, WRKY, bZIP, và ERF/DREB, có chức năng nhất định trong phản ứng với stress sinh học và phi sinh học đã được nghiên cứu sâu. Bên cạnh đó, mặc dù tiến bộ này rất có ý nghĩa trong nội dung làm rõ vai trò của những TFs của loài mễ cốc quan trọng, Rất ít gen mã hóa protein TF được làm rõ trong cây cao lương. Cao lương là loài cây trồng “mô hình” đối với tính trạng chống chịu khô hạn, được tập trung nghiên cứu nhiều nhất. Trong tổng quan này người ta tóm lược tiến bộ nghiên cứu gần đây nhất về các họ protein chủ lực TF gắn với chống chịu stress phi sinh học và sinh học cũng như tiêm năng của chúng làm năng suất cây trồng tăng, đặc biệt là cao lương. Hung họ TF khác và những phân tử “non-coding RNAs” điều hòa sự thể hiện gen cũng được thảo luận trong bài tổng quan này. Tuy nhấn mạnh cây cao lương, nhưng rất nhiều thí dụ khác đối với lúa mì, lúa nước, bắp và lúa mạch cũng được thảo luận. Tóm lại, mục đích của tổng quan này là làm rõ ràng hơn khả năng ứng dụng của chúng đối với gen mã hóa TF cải tiến tính chống chịu stress và kỹ thuật di truyền tạo ra giống kháng của cây cao lương. Xem

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31575043

Gen sugary enhancer1 có vai trò quan trọng trong biến dưỡng tinh bột hạt bắp

Nguồn: Xia Zhang, Karl J. Haro von Mogel, Vai S. Lor, Candice N. Hirsch, Brian De Vries, Heidi F. Kaeppler, William F. Tracy, and Shawn M. Kaeppler. 2019. Maize sugary enhancer1 (se1) is a gene affecting endosperm starch metabolism. PNAS October 8, 2019 116 (41): 20776-20785

Gen của cây bắp có tên là sugary enhancer1 (se1) là một phân tử cải biên di truyền (genetic modifier) của sự thể hiện su1 và là một alen quan cải biên đặc tính của sự biến dưỡng carbohydrate trong hạt bắp, cải tiến thương phẩm của hạt bắp tươi. Carbohydrates, và tinh bột, là sản phẩm chủ lực quan trọng trên thế giới đối với loài cây trồng mễ cốc cho hạt, nhưng cơ chế gì ảnh hưởng đến thành phần hạt bắp và hệ di truyền của chúng vẫn chưa được biết rõ ràng. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta phân lập được một gen ảnh hưởng đến thành phần carbohydrate trong nội nhũ thông qua cải biên cơ chế biến dưỡng của gen sugary1 . Phát hiện này cho chúng ta một luận điểm mới về sự biến dưỡng và ảnh hưởng cơ bản của di truyền trong hạt mễ cốc. Gen sugary enhancer1 (se1) xuất hiện trong tự nhiên ở trạng thái đột biến có trong biến dưỡng tinh bột ở nội nhũ hạt bắp. Đây là alen “modifier” có tính lặn sugary1 (su1) và quan trọng vô cùng quyết định thương phẩm của giống bắp ngọt, khi người ta cải tiến giống mới, nhưng người ta chưa biết rõ cơ chế phân tử của nó. Các tác giả công trình khoa học này đã phát triển một bộ đôi các dòng gần như đẳng gen (near-isogenic lines), W822Gse (su1-ref/su1-ref se1/se1) và W822GSe (su1-ref/su1-ref Se1/Se1), phân ly theo luật Mendel với kiểu hình  se1 trong nền kiểu hình su1-ref . Hạt bắp của dòng W822Gse có hàm lượng tinh bột thấp hơn, nhiều polysaccharide hòa tan trong nước, nhiều đường hơn trong hạt của dòng bắp W822GSe. Áp dụng phân tích “high-resolution genetic mapping”, người ta thấy rằng gen Se1 nguyên thủy là Zm00001d007657 trên nhiễm sắc thể 2 và một phân tử đứt đoạn của gen này đã gây ra kiểu hình se1. Kết quả profiling mang tính chất so sánh trong biến dưỡng học của mô hạt bắp giữa 2 dòng NILs (isolines) này cho thấy: có sự khác biệt đáng kể trong cơ chế biến dưỡng carbohydrate, với sucrose và maltose tích tụ nhiều hơn trong dòng đột biến. Se1 biểu hiện một cách ưu thế trong nội nhũ, với sự thể hiện thấp trong mô lá và trong mô rễ. Phân tích sự thể hiện gen cho thấy: những gen có quá nhiều về số lượng gen trong cả sinh tổng hợp tinh bột và tiến trình phân giải tinh bột, biểu thị bản chất “anh hưởng gen đa tính trạng” (pleiotropic regulatory effect) của alen se1. Sự thể gen gen bị ức chế của Se1 và Su1 trong kỹ thuật RNA can thiệp ở dòng bắp transgenic chứng minh rằng sự mất đoạn của gen được xác định như alen Se1 là gây gây nguyên nhân đáp ứng với kiểu hình se1. Kết quả nay đóng góp vào ngân hàng kiến thức cơ chế biến dưỡng tinh bột của cây trồng thuộc loài mễ cốc.

Xem

See https://www.pnas.org/content/116/41/20776

Thể hiện mạnh mẽ của gen OsARD1 cải tiến tính chống chịu ngập, khô hạn, mặn của lúa

Nguồn: Liang S, Xiong W, Yin C, Xie X, Jin YJ, Zhang S, Yang B, Ye G, Chen S, Luan WJ. 2019. Overexpression of OsARD1 Improves Submergence, Drought, and Salt Tolerances of Seedling Through the Enhancement of Ethylene Synthesis in Rice. Front Plant Sci. 2019 Sep 10;10:1088.

Acireductone dioxygenase (ARD) là một metalloenzyme kết gắn với kim loại và thực hiện chu trình “methionine salvage”. Trong cây lúa, OsARD1 kết gắn với ion Fe²⁺ và xúc tác sự hình thành nên 2-keto-4-methylthiobutyrate (KMTB) để sản sinh ra methionine, mà methionine này là cơ chất bắt đầu của chu trình tổng hợp ethylene. Trong nghiên cứu này, các tác giả ghi nhận sự thể hiện mạnh mẽ gen OsARD1 làm nâng cao mức độ phóng thích ethylene nội sinh, làm tăng cường tính chống chịu stress ngập, và làm giảm tính nhiễm khô hạn, mặn, và những stress thuộc về điều tiết áp suất thẩm thấu của cây lúa. Gen OsARD1 bị kích hoạt mạnh bởi ngập, hạn, mặn, PEG6000, và stress tổ thương do cơ giới, thể hiện mạnh trong lá già cón màu xanh. Cây lúa transgenic thể hiện mạnh mẽ gen OsARD1 (OsARD1-OE) có chức năng làm cây lúa vươn lóng nhanh để thoát khoải stress ngập. Hàm lượng ethylene tối đa hóa một cách đáng kể trong cây có protein OsARD1-OE so với cây nguyên thủy. OsARD1-OE có vai trò làm tăng vươn lóng thân và ức chế rễ kéo dài khi lúa bị ngập và tăng trưởng trong bóng tối do làm tăng hàm lượng ethylene. Sự vươn dài của trục mang lá mầm trong điều khiện nẩy mầm kỵ khí tăng đáng kể khi có hiện diện của OsARD1-OE do làm tăng ethylene. Sự nhiễm khô hạn, mặn giảm trong dòng lúa transgenic OsARD1-OE. Khả năng giữ nước của cây lúa được tăng cường, khí khổng và trichomes trên lá tăng trong dòng lúa OsARD1-OE. Tính chống chịu khô hạn và mặn cũng như gen điều khiển tổng hợp ethylene được điều tiết theo kiểu “up” trong cây lúa OsARD1-OE. Xác định vị trí dưới mức tế bào cho thấy rằng gen OsARD1 có vai trò xác định tín hiệu ở trong nhân, như vậy: OsARD1 có thể tương tác với các protein TFs. Gộp tất cả lại, người ta cho rằng hiểu biết vế chức năng của gen OsARD1 trong tổng hợp ethylene rất cần thiết trong cải tiến tính phản ứng với stress phi sinh học của cây lúa. Xem

https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2019.01088/full

Protein TF trong đậu nành GmMYB183 và sinh tổng hợp flavonoid, chống chịu mặn.

Nguồn: Pi E, Xu J, Li H, Fan W, Zhu C, Zhang T, Jiang J, He L, Lu H, Wang H, Poovaiah BW, Du L. 2019. Enhanced salt tolerance of rhizobia-inoculated soybean correlates with decreased phosphorylation of the transcription factor GmMYB183 and altered flavonoid biosynthesis. Mol Cell Proteomics. 2019 Aug 28. pii: mcp.RA119.001704.

Đậu nành (Glycine max (L.) Merrill) rất quan trọng cho dinh dưỡng con người và gia súc, nhưng sản lượng đậu nành trên thế giới phải đối diện với suy giảm do stress phi sinh học đặc biệt là ruộng trồng bị nhiễm mặn.  Người ta  tìm thấy rằng khi chủng rhizobia, đậu nành sẽ được tăng cường tính chống chịu mặn, tuy nhiên, cơ chế sinh học của nó chưa được biết rõ. Ở đây, các tác giả của công trình khoa học này đã sử dụng phương pháp “quantitative phosphoproteomic” và “metabonomic” để xác định sự thay đổi trong những phosphoproteins và những chất biến dưỡng (metabolites) trong rễ cây đậu nành được xử lý với nghiệm thức chủng rhizobia và nghiệm thức mặn. Kết quả cho thấy: có sự điều tiết rất khác nhau của 800 phosphopeptides, ít nhất 32 trong số phosphoproteins này hoặc các chất đồng phân của chúng (homologous) đã được ghi nhận rồi trong tổng hợp flavonoid hoặc “trafficking”, và có 27 trong 32 phosphoprotein ấy là những TFs (transcription factors: yếu tố phiên mã).  Người ta tiến hành điều tra tác động về chức năng của tất cả 27 protein TFs như vậy bằng phương pháp cho thể hiện các đột biến của chúng là những “phospho-mimetic/ablative mutants” có trong rễ của cây đậu nành “composite” (giống lai tự do) rồi tìm thấy hiện tượng phosphoryl hóa của GmMYB183, hiện tượng này có thể ảnh hưởng đến sự chống chịu mặn của rễ cây đậu nành transgenic.  Sử dụng kỹ thuật ChIP và EMSA, người ta ghi nhận GmMYB183 kết gắn với promoter của gen GmCYP81E11 mã hóa Cytochrome P450 monooxygenase góp phần làm tích tụ chất ononin, một dạng “monohydroxy B-ring flavonoid” điều hòa tiêu cực làm đậu nành nhiễm mặn. Sự phosphoryl hóa GmMYB183 bị ức chế bởi chủng rhizobia, sự thể hiện mạnh mẽ GmMYB183 làm tăng cường sự thể hiện của GmCYP81E11 và làm mất đi tính nhiễm mặn của rễ cây đậu nành transgenic. Cây thiếu chức năng của GmMYB183 chịu mặn tốt hơn cây nguyên thủy tương quan với sự kích hoạt phiên mã xảy ra của GmCYP81E11 và sau đó là tích tụ chất ononin.  Đây là kết qủa làm rõ làm thế nào rhizobia làm tăng tính chống chịu mặn của cây đậu nành. Xem https://www.mcponline.org/content/early/2019/08/28/mcp.RA119.001704.long

Hình 1: GmMYB183 kết gắn với MYB-Specific Cis-Element có trong promoter của gen GmCYP81E11