Protein gắn với actin trong cây lúa RMD là yếu tố căn bản trong kiểm soát việc phát triển tế bào

Gang Li và ctv. (2014) đã công bố trên tạp chí PNAS (Hoa Kỳ) về một protein rất quan trọng của cây lúa. Một cấu trúc loop rất năng động giữa lộ trình auxin và actin cytoskeloton vô cùng cần thiết để auxin tự tổ chức khi có tín hiệu vào giai đoạn cây phát triển. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của nó vẫn còn là điều bí ẩn. Các tác giả trong nhóm nghiên cứu đã tìm thấy  “actin-binding protein” hay còn gọi là RMD (rice morphology determinant) hoạt động như một thành phần chủ chốt vận hành lộ trình “auxin-actin loop”, ảnh hưởng đến dự tăng trưởng của tế bào. Auxin trực tiếp khởi động sự thể hiện của RMD thông qua sự kiện gắn kết của Oryza sativa auxin đáp ứng với yếu tố 23 (OsARF23) và OsARF24 heterodimers trên promoter RMD, kích thích sự thay đổi tổ chức của F-actin. Trái lại, các mạng lưới tổ chức của F-actin lệ thuộc vào RMD ảnh hưởng đến sự truyền tín hiệu liên bào phân tử auxin, bao gồm vận chuyển auxin theo hướng cực (polar auxin transport), định vị và tái chế lại các phân tử mang auxin (auxin efflux carriers), phân phối auxin trong các tế bào rễ.

Kích thích tố tăng trưởng auxin đóng vai trò trung tâm trong tăng trưởng và sinh trưởng của tế bào. Sự vận chuyển auxin và truyền tín hiệu phụ thuộc vào cách tổ chức của actin. Mặc dù chức năng quan trọng như vậy, nhưng cơ chế liên kết của actin filaments (F-actin) với truyền tín hiệu auxin có tính chất liên bào vẫn chưa được biết rõ ràng. Các tác giả đã ghi nhận actin-organizing protein trong cái gọi là RMD (Rice Morphology Determinant), type II formin của cây lúa (Oryza sativa), là một liên kết đóng vai trò chủ yếu. Các thể đột biến thiếu RMD làm cho tăng trưởng tế bào mất bình thường và làm thay đổi trạng thái củaxu hướng hoạt động F-actin array. Các đột biến rmd còn biểu hiện một sự ức chế chức năng kéo dài tế bào của auxin, làm giảm sự vận chuyển auxin về đỉnh cực, làm thay đổi sự phân bố auxin theo gradients ở đỉnh rễ, và ức chế màng tế bào plasma định vị các phân tử auxin transporters của O. sativa PIN-FORMED 1b (OsPIN1b) và OsPIN2 trong các tế bào rễ. Họ chứng minh rằng RMD rất cần trong endocytosis (phân giải trong nội bào), exocytosis (phân giải ngoài tế bào), và sự tái chế auxin-mediated OsPIN2 đối với màng plasma. Hơn nữa, sự biểu hiện của RMD điều hòa trực tiếp bởi heterodimerized O. sativa auxin khi phản ứng với yếu tố 23 (OsARF23) và OsARF24, minh chứng rằng auxin có chức năng điều hòa định hướng của những F-actin arrays thông qua RMD. Để hỗ trợ cho regulatory loop, osarf23 và các dòng có sự thể hiện kém OsARF23 và OsARF24 làm giảm biểu hiện của RMD, người ta tạo nên cấu trúc đột phá F-actin và sự tăng trưởng của tế bào, ít mẫn cảm với phản ứng của auxin, và làm thay đổi phân bố của auxin cũng như sự định vị OsPIN. Họ tạo ra RMD như một hợp phần cực kỳ quan trọng của cấu trúc loop có thể tự điều hòa được auxin–actin trong nhân tế bào, để kiểm soát được sự tăng trưởng và phát sinh hình thái của tế bào cây lúa. Xem

PNAS July 15, 2014; vol.111; no.28: 10377-10382

http://www.pnas.org/content/111/28/10377.abstract.html?etoc

Một chỉ dẫn về các biến thể của cấu trúc chức năng trong genome cây đậu nành

Justin E. Anderson và ctv. (2014) đã công bố một công trình khoa học quan trọng trên tạp chí G3 về bộ gen cây đậu nành. Sự biến thể về cấu trúc của gen SV (gene structural variation) được người ta xem như một cơ chế di truyền vô cùng quan trọng tiềm ẩn của những kiểu hình qui định các tính trạng nông học quan trọng của loài thực vật này. Họ đã thanh lọc một bộ giống bào gồm 41 mẫu đậu nành (Glycine max) dùng làm bố mẹ cho các cặp lai được thực hiện theo qui trình NAM (nested association mapping population) nhằm làm mất đi (deletions) và làm lặp đoạn (duplications) của hơn in more than 53.000 gene models (các mô hình gen). Thực hiện lai theo khối (array hybridization) và thực hiện chạy trình tự toàn bộ genome (whole genome resequencing) để xác định sự thay đổi cấu trúc gen SV trong 1528 gen, chiếm 2,8% các gene models của cây đậu nành. Mặc dù SV xảy ra trong toàn bộ genome, nhưng sự tập trung cao của SV lại hiển thị tại các họ gen đáp ứng với stress có tính chất sinh học. Trong các mẫu giống đậu nành khảo sát, SV xảy ra với tần suất thấp hơn tám lần so với các gene models mà chúng vẫn duy trì trạng thái paralogs khi có sự kiện lập đoạn xảy ra lần cuối, so với các gen không duy trì được trạng thái paralogs. Việc gia tăng số lần sao chép của gen, giống như việc đã được mô tả tại locus kháng Rhg1, chiếm một phần tư các sự kiện SV. Đánh giá sự kiện SV xảy ra trong genome cây đậu nành đã cho ra một danh sách các gen tiềm năng đáp ứng lại yêu cầu tiến hóa và/hoặc các tính trạng có tính thích nghi cao.

Xem tạp chí  

G3: Genes, Genomics, Genetics, July 1, 2014; Vol.4; No.7:1307-1318

http://www.g3journal.org/content/4/7/1307.abstract.html?etoc

PHYTOCHROME C có chức năng quan trọng trong kích hoạt sự trổ bông của lúa mì trong điều kiện ngày dài

Andrew Chen và ctv. (2014) đã phát hiện vai trò của Phytochrome C trong sự trổ bông cây lúa mì với điều kiện ngày dài. Cây xem ngày dài như một tín hiệu cực trọng của môi trường để kích hoạt những thay đổi chính trong quá trình phát triển của nó. Rất nhiều phân tử sensor của ánh sáng ghi nhận được độ dài của ngày, nhưng quan trọng nhất là red/far-red phytochromes. Trong cây lúa và cây Arabidopsis, PHYTOCHROME C (PHYC) yêu cầu phải có thêm những phytochromes khác để ổn định hoạt động và thực hiện chức năng này. Trái lại, PHYC của lúa mì tỏ ra ổn định hơn và có chức năng tích cực hơn ngay cả khi thiếu vắng những phytochromes khác. Sự mất PHYC chức năng của lúa mì cho ra kết quả biểu hiện thay đổi đồng hồ sinh họcvà những gen có liên quan đến quang kỳ tính. Chúng làm trì hoãn tiến trình trổ bông trong điều kiện ngày dài, ngần ấy chứng minh rằng PHYC khởi động sự ra hoa của lúa mì trong điều kiện quang kỳ bị kích hoạt. Điều này vô cùng cần thiết khi sự kiện thay đổi khí hậu toàn cầu đang diễn biến phức tạp.

Phytochromes là những dimeric proteins có chức năng của những red và far-red light sensors ảnh hưởng trong các pha thuộc chu kỳ sống của thực vật. Một trong ba họ phytochrome chủ lực được tìm thấy trong quá trình trổ bông của thực vật, PHYTOCHROME C (PHYC) được người ta biết ít nhất. Trong Arabidopsis và lúa, PHYC tỏ ra không ổn định và bất hoạt, trừ trường hợp nó hoạt động theo kiểu  heterodimerizes với một phytochrome khác nào đó. Tuy nhiên, khi nó thể hiện thể đột biến null trong cây Arabidopsis (phy-null mutant), các loại hình của PHYC lúa mì có tính hiệu tích cực với những homodimers mà những cái này chuyển vị vào nhân dưới điều kiện tia đỏ (red light) để thực hiện các phản ứng có tính chất photomorphogenic. Lúa mì tứ bội thể đồng hợp tử đối với các đột biến loss-of-function trong tất cả các sao bản gen PHYC (phyC^AB) trổ bông trung bình vào ngày108 trễ hơn so với cây nguyên thủy trong điều kiện ngày dài, nhưng chỉ trễ hơn 19 ngày trong điều kiện ngày ngắn. Điều này cho thấy có một tương tác mạnh mẽ giữa PHYC và quang kỳ tính. Sự tương tác ấy còn được hỗ trợ bởi một điều tiết có tính chất “drastic down-regulation” của gen đột biến phyC^AB thuộc họ gen central photoperiod hoặc PHOTOPERIOD 1 (PPD1). Ca1cch thức downstream target của nó tại FLOWERING LOCUS T1, rất cần cho sự kích hoạt sự trổ bông trong ngày dài. Hoạt động trên nền PHYC đối với sự kiện biểu hiện PPD1 trong cây lúa mì trổ bông, điều kiện ngày dài đã được thảo luận. Cây có gen đột biến đồng hợp tử phyC^AB co những thay đổi về profiles của đồng hồ sinh học và những gen có tính chất “clock-output”. Xem tạp chí PNAS July 15, 2014 Vol.111, No.28: 10037-10044

http://www.pnas.org/content/111/28/10037.abstract.html?etoc

Hình 1: Tính chất của những phyC mutants. (A) Biểu hiện của cây nguyên thủy và mutant PHYC proteins. Cột màu xanh biểu trưng cho chromophore gắn với GAF domain, trừ PHYC B mutant C323Y. (B) Thời kỳ trổ bông của mẫu giống nguyên thủy và của những mutants dạng đơn hoặc dạng kép phyC trồng dưới điều kiện ngày dài. (C) Biểu trưng của dạng nguyên thủy và phyC AB , cây lúa mì tứ bội trồng sau 15 tuần trong điều kiện ngày dài. (D) Ảnh hưởng khác biệt của PHYC về ngày trổ bông trong điều kiện ngày ngắn (SD) và ngày dài (LD). Thang sai số biểu trưng bằng chữ SEMs trên cơ sở tám cây. *** P < 0.001, trên cơ sở Dunnett ’s  test so sánh từng mutant với nguyên thủy ở B và trắc nghiệm ảnh hưởng đơn PHYC trong quang kỳ với một factorial ANOVA ở D.