Gγ protein điều tiết tính trạng nhiễm đất mặn kiềm của giống cây trồng

Nguồn: Huili Zhang, Feifei Yu, Peng Xie, Shengyuan Sun, Xinhua Qiao, Sanyuan Tang, Chengxuan Chen, Sen Yang, Cuo Mei, Dekai Yang, Yaorong Wu, Ran Xia, Xu Li, Jun Lu, Yuxi Liu, Xiaowei Xie, Dongmei Ma, Xing Xu, Zhengwei Liang, Zhonghui Feng, Xiahe Huang, Hong Yu, Guifu Liu, Yingchun Wang, Jiayang Li , Qifa Zhang, Chang Chen, Yidan Ouyang, Qi Xie. 2023. A Gγ protein regulates alkaline sensitivity in crops. Science; 2023 Mar 24; 379(6638): eade8416. doi: 10.1126/science.ade8416.

Sử dụng đất kiềm (đất cà giang) để trồng cây bị cản trở bởi sự thiếu kiến thức và thành tựu của cải tiến giống cây trồng chống chịu kiềm (alkaline tolerance). Thông qua GWAS, người ta tiến hành trên cây cao lương có tính trạng chống chịu kiềm một cách tự nhiên, locus chủ lực có tên là Alkaline Tolerance 1 (AT1), có liên quan đặc biệt với tính trạng nhiễm mặn kiềm (alkaline-salinity sensitivity). Alen at1 với cắt ngắn đầu carboxyl, tính nhiễm tăng lên, trong khi đó, knockout gen AT1 làm tăng tính chống chịu kiềm trong cây cao lương, kê, lúa nước, và bắp. Gen AT1 mã hóa protein G có tính chất khác biệt thuộc γ subunit nó ảnh hưởng tiến trình phosphoryl hóa của aquaporins để thực hiện sự phân bố của hydrogen peroxide (H₂O₂)_. Tiến trình này hiện diện trong cây để bảo vệ chúng không bị stress có tính chất oxidative bởi alkali. Thực hiện xử lý knockouts các AT1 homologs hoặc tuyển chọn những alen trong tự nhiên không có chức năng sẽ có thể cải tiến được năng suất giống cây trồng trong đất kiềm. Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36952416/

Xác định trên quy mô toàn hệ genome: họ gen IQM của cây đậu nành

Nguồn: Tianxiao Lv, Qiongrui Liu, Hong Xiao, Tian Fan, Yuping Zhou, Jinxing Wang, Chang-En Tian. 2023. Genome-wide identification and analysis of the IQM gene family in soybean. Front Plant Sci.; 2023 Jan 6; 13:1093589. doi: 10.3389/fpls.2022.1093589. 

IQM, một protein đặc biệt của thực vật, gắn kết với calmodulin, đóng nhiều vai trò trong tăng trưởng và phát triển của cây. Mặc dù người ta đã thực hiện phân tích khá đầy đủ họ gen IQM trong cây Arabidopsis và cây lúa, nhưng số lượng gen và chức năng của chúng – họ gen IQM trong nhiều loài cây trồng khác chưa được khai thác hiệu quả. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành xác định 15 thành viên của họ gen IQM trong cây đậu nành (Glycine max) bằng công cụ BLASTP. Những thành viên này phân bồ trên 12 nhiễm sắc thể của cây đậu nành và hình thành nên sáu cặp trên cơ sở sự kiện tự tái bản các đoạn phân tử (fragment duplication events). Theo kết quả di truyền huyết thống (phylogeny), 15 gen ấy được người ta chia thành 3 subfamilies (I, II, và III), thành viên trong cùng một subfamily có gen giống nhau và kiến trúc protein giống nhau. Kết qua chạy “yeast two-hybrid” cho thấy motif IQ rất cần thiết để gắn kết protein GmIQM với GmCaM, chức năng của nó được bảo tồn trong cây đậu nành, Arabidopsis, và lúa. Kết quả real-time PCR cho thấy những gen IQM bị kích hoạt mạnh mẽ bởi PEG và NaCl, thúc đẩy các chức năng sinh học quan trọng của chúng khi cây phản ứng với stress phi sinh học. Nói chung, phân tích có tính chất “genome-wide” họ gen IQM cây đậu nành đặt nền tảng lý thuyết vững chắc phục vụ nghiên cứu sâu hơn về chức năng của các gen GmIQM và có thể đóng vai trò như một tham chiếu trong cải tiến giống đậu nành cao sản kháng với stress.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36684725/

Hình: Vị trí trên nhiễm sắc thể và tự tái bản đoạn phân tử của các gen IQM cây đậu nành.

15 gen IQM được lập bản đồ di truyền trên 12 nhiễm sắc thể / tổng số 20 NST của đậu nành. Số NST nằm ở đầu thanh đứng. Cặp “duplicated paralogous” của gen GmIQM được biểu tượng bằn đường chấm chấm có cùng một màu. Hộp tô màu là tên của gen đặc trưng cho từng subfamilies (hồng, subfamily I; xanh lá cây, subfamily II; vàng cam, subfamily III).

Gen mã hóa diacylglycerol acyltransferase của cây đậu nành ( Glycine max)

Nguồn: Shihui Zhao, Fan Yan, Yajing Liu, Monan Sun, Ying Wang, Jingwen Li, Xinsheng Zhang, Xuguang Yang, Qingyu Wang. 2023. Genome-wide identification and expression analysis of diacylglycerol acyltransferase genes in soybean ( Glycine max). Peer J.; 2023 Mar 20; 11:e14941. doi: 10.7717/peerj.14941. 

Đậu nành (Glycine max) là loài cây trồng cung cấp protein và dầu thực vật chủ yếu. Trong thực vật, diacylglycerol acyltransferase (DGAT) có thể kiểm soát dòng vận chuyển nhựa mạnh mẽ, mà dòng chảy ấy hạn chế mức độ đối với sinh tổng hợp triacylglycerol trong nội dung hình thành lipid.

Người ta tiến hành xác định các gen DGAT đậu nành thông qua tin sinh học (bioinformatics), từ đó đặt nền móng cho những nghiên cứu sâu hơn. Trên cơ sở phân tích bioinformatics, bao gồm kiến trúc gen, đặc điểm của protein domain, và kết quả phân tích di truyền huyết thống, có 26 DGAT thành viên giả định của họ gen phân bố không đồng đều trên 12 nhiễm sắc thể của tổng số 20 nst cây đậu nành. Người ta chia ra thành 4 nhóm: DGAT1, DGAT2, WS/DGAT, và cytoplasmic DGAT.

Tỉ lệ Ka/Ks của hầu hết các gen này xác định áp lực chọn lọc tích cực có ý nghĩa. Các gen DGAT biểu hiện đặc điểm trong mô đậu nành. Những khác biệt về cấu trúc và biểu hiện gen DGAT cho thấy tính chất đa dạng của chức năng và tính chất phức tạp của biến dưỡng chất béo trong hạt đậu nành. Kết quả cung cấp cho chúng ta thông tin quan trọng để nghiên cứu lộ trình biến dưỡng acid béo trong cây đậu nành. Hơn nữa, kết quả còn giúp chúng ta xác định được gen ứng cử viên đối với những cải biên về phổ biểu hiện “fatty acid” nhằm cải tiến được phẩm chất dầu đậu nành.

Đây là công trình đầu tiên nghiên cứu in silico được tiến hành để ghi nhận các đặc điểm về genomic và proteomic của DGAT trong cây đậu na2h, ảnh hưởng của biểu hiện đặc biệt trong cơ quan cây, tuổi cây, và giai đoạn tăng trưởng, phát triển của cây.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36968000/

Hình: Định vị trên nhiễm sắc thể, và phân tích collinearity các gen GmDGAT.

Sự phân bố của 26 DGAT genes trên nhiễm sắc thể cây đậu nành (Glycine max L.). “Collinearity analysis” các gen DGAT. Màu đỏ là DGAT1, màu xanh dương là DGAT2a, màu xanh lá cây là DGAT2b, màu nâu là WS/DGAT.

Tích hợp kết quả ATAC-Seq và RNA-Seq Data để xác định chức năng gen OsbZIP14 phản ứng với stress nóng trong cây lúa

Nguồn: Fuxiang Qiu, Yingjie Zheng, Yao Lin, Samuel Tareke Woldegiorgis, Shichang Xu, Changqing Feng, Guanpeng Huang, Huiling Shen, Yinying Xu, Manegdebwaoga Arthur Fabrice Kabore, Yufang Ai, Wei Liu, Huaqin He. 2023. Integrated ATAC-Seq and RNA-Seq Data Analysis to Reveal OsbZIP14 Function in Rice in Response to Heat Stress. Int J Mol Sci.; 2023 Mar 15; 24(6):5619. doi: 10.3390/ijms24065619.

Yếu tố phiên mã TFs (transcription factors) có vai trò cực trọng giúp cây phản ứng với nhiều loại hình stress khác nhau, đặc biệt là stress nóng. Cây phản ứng với nhiệt độ khí quyển tăng cao thông qua module phổ biểu hiện của gen trong những chu trình hết sức đa dạng về biến dưỡng, một tiến trình điều tiết bị khống chế bởi nhiều phân tử TFs trong một cấu hình mạng lưới. Rất nhiều TFs, ví dụ như WRKY, MYB, NAC, bZIP, zinc finger protein, AP2/ERF, DREB, ERF, bHLH, và brassinosteroids, gắn với họ protein có tên là yếu tố sốc nhiệt HsF (heat shock factor), quy định tính trạng chống chịu nóng. Những phân tử TFs này có tiềm năng kiểm soát đa gen, mà gen ấy tạo ra đích đến lý tưởng giúp cây tăng cường sức chống chịu nhiệt độ nóng. Mặc dù tầm quan trọng lớn lao như vậy, nhưng chỉ có một số rất ít các TFs phản ứng với stress nóng được người ta xác định trong hệ gen cây lúa. Cơ chế phân tử củng cố vai trò của TFs giúp cây lúa thích ứng với stress nóng vẫn được được nghiên cứu. Các tác giả tiến hành phân lập 3 gen TF, đó là OsbZIP14, OsMYB2, và OsHSF7, thông qua tích hợp kết quả trình tự transcriptomic và epigenetic của cây lúa phản ứng với stress nóng. Nhở công cụ tin sinh học, người ta chứng minh được OsbZIP14, là một trong những gen chủ lực của TF phản ứng với nóng, bao gồm một “basic-leucine zipper domain” và chức năng của một TF thuộc nhân với khả năng hoạt động phiên mã tích cực. Khi knockout gen OsbZIP14 trong giống lúa Zhonghua 11, người ta thấy đột biến knockout OsbZIP14 biểu hiện cây lùn xuống, giảm đẻ nhánh lúc cây lúa chắc hạt (grain-filling stage). Xử lý nhiệt độ cao, cây lúa đột biến OsbZIP14, kết quả gen OsbZIP58 biểu hiện rõ, đó là một regulator then chốt của protein dự trữ trong hạt thóc (SSP), sự kiện này được điều tiết theo kiểu “up”. Hơn nữa, nghiệm thức BiFC (bimolecular fluorescence complementation) phát hiện ra một tương tác trực tiếp giữa OsbZIP14 và OsbZIP58. Như vậy, OsbZIP14 hoạt động như một gen TF chủ chốt thông quan hoạt động phối hợp của OsbZIP58 và OsbZIP14 khi lúa ở giai đoạn vào chắc hạt dưới nghiệm thức xử lý nóng. Kết quả cung cấp gen ứng cử viên tốt phục vụ cải tiến di truyền giống lúa cao sản chống chịu được nóng với nhận thức khoa học về cơ chế chống chịu stress nóng của cây lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36982696/