Hai kinases đóng vai trò receptor của cây lúa duy trì tính hữu thụ đực, khi nhiệt độ ngoại cảnh thay đổi

Nguồn: Junping Yu, Jiaojiao Han, Yu-Jin Kim, Ming Song, Zhen Yang, Yi He, Ruifeng Fu, Zhijing Luo, Jianping Hu, Wanqi Liang, and Dabing Zhang. 2017. Two rice receptor-like kinases maintain male fertility under changing temperatures. PNAS November 14 2017; vol.114; no.46: 12327-12332

Ý NGHĨA KHOA HỌC

Do ảnh hưởng đến tính hữu dục đực của cây trồng, nhiệt độ không khí thay đổi có tác động chính đến an ninh lương thực toàn cầu. Ở đây nhóm tác giả chỉ ra rằng vai trò của hai protein “kinases” có chức năng như “receptor” đối với LRR của cây lúa (leucine-rich repeat), đó là protein TMS10 và TMS10L, chúng kiểm soát tính hữu dục đực khi nhiệt độ không khí thay đổi. Kết quả nghiên cứu này cho chúng ta hiểu rằng làm thế nào cây khắc phục được những thay đổi bất thường của nhiệt độ khí quyển để có được trạng thái hữu dục đực và cung cấp nguồn di truyền mới đối với sản xuất hạt lai của giống cây trồng.

TÓM TẮT

Cây trồng khởi động nhiều hệ thống linh hoạt ở mức độ phân tử để kiểm soát hoặc điều tiết sự phát triển khi có những thay đổi của ngoại cảnh, tuy nhiên, sự hiểu biết về cơ chế như vậy rất hạn chế cho đến nay. Ở đây, các tác giả của nghiên cứu này cho biết: họ xác định được hai protein của cây lúa thuộc họ “kinase” có tính chất LRR (leucine-rich repeat) đóng vai trò “receptor”, đó là protein TMS10 (Thermo-Sensitive Genic Male Sterile 10) và đồng phân rất gần với nó là TMS10-Like (viết tắt là TMS10L). Chúng có chức năng khá rộng trong việc duy trì lới tế bào “tapetum” và sức sống của “microspore/pollen” (hạt phấn) trong những điều kiện nhiệt độ bình thường với TMS10 có vai trò chủ yếu khi nhiệt độ tăng cao hơn (ví dụ, 28 °C). Gen tms10 có chức năng làm bất dục đực khi nhiệt độ cao, nhưng hữu dục đực khi nhiệt độ thấp, và gen  tms10 tms10l đột biến kép điều khiển bất dục đực hoàn toàn trong cả hai điều kiện nhiệt độ cao và nhiệt độ thấp. Xét nghiệm sinh hóa và di truyền cho thấy hoạt động của kinase có liên quan đến domain của TMS10 bên trong tế bào, đây là nội dung chính để phân giải “tapetum” và sự hữu dục đực khi nhiệt độ cao. Hơn nữa, các giống lúa luộc loài phụ indica hoặc japonica có chứa những đột biến TMS10, tạo ra bởi lai trong di truyền hoặc chỉnh sửa hệ gen (genome editing), biểu hiện tính bất dục đực do nhiệt độ (thermo-sensitive genic male sterility). Kết quả minh chứng rằng TMS10 và TMS10L hoạt động như một công tắc bật mở sự phát triển có tính chất “postmeiotic tapetal” và sự phát triển hạt phấn nhờ phản ứng đệm  khi nhiệt độ ngoại cảnh thay đổi, điều này cho chúng ta nhận biết những cơ chế ở mức độ phân tử - sự linh hoạt kiểu hình thông qua tương tác giữa kiểu gen x môi trường (nhiệt độ). Protein TMS10 có thể được sử dụng như một một di truyền đối với sự phát triển công nghệ sản xuất hạt lai của cây trổng.

GS. Bùi Chí Bửu lược dịch.

Xem: http://www.pnas.org/content/114/46/12327.full

Hình 1: Gen tms10 điều khiển chức năng hữu thụ đực theo nhiệt độ. (A–C) Hoa lúa ở giai đoạn 13 sau khi thoát ra ra một nửa trấu trên và trấu dưới. (Thang chuẩn 2 mm.) (D–F) Túi phân chứa  các hạt phấn được nhuộm phẩm màu I₂-KI. (Thang chuẩn 200 µm.) (G–I) Phấn tích “semithin section” ở giai đoạn 9, khi microspores phóng thích ra từ cơ quan “tetrads”. (Thang chuẩn 20 µm.) (J–L) TEM ở giai đoạn 9. Vách của túi phấn là những tế bào tapetum. (Thang chuẩn 5 µm.) DMs, viết tắt từ chữ degenerated microspores; E, epidermis; En, endothecium; Ml, middle layer; Ms, microspore; T, tapetum.