Phân tích transcriptome cây bắp và tính chống chịu mặn; đặc biệt là anthocyanidins

Nguồn: Jie Wang, Zhipeng Yuan, Delin Li, Minghao Cai, Zhi Liang, Quanquan Chen, Xuemei Du, Jianhua Wang, Riliang Gu, Li Li. 2023. Transcriptome Analysis Revealed the Potential Molecular Mechanism of Anthocyanidins' Improved Salt Tolerance in Maize Seedlings. Plants (Basel); 2023 Jul 27; 12(15):2793. doi: 10.3390/plants12152793.

Anthocyanin, một loại hình của flavonoid, đóng vai trò quan trọng giúp cây kháng với stress phi sinh học. Stress mặn là ví dụ, nó có thể làm tổn hại đến tăng trưởng và phát triển của cây bắp non. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu được tiến hành về phản ứng với stress mặn của cây bắp non qua sự tích tụ anthocyanin, và cơ chế phân tử của nó. Do đó, sẽ có một ý nghĩa đáng kể  nếu nghiên cứu sự tăng trưởng và phát triển bình thường của cây bắp non để khai thác khả năng của chúng ở mức độ phân tử của anthocyanin trong cải tiến tính trạng chịu mặn của cây non thông qua phân tích hệ transcriptome cây bắp. Người ta phân lập được hai dòng bắp cận giao W22 (dòng chống chịu pur-W22 và dòng nhiễm bro-W22) biểu hiện kết quả chống chịu khác biệt nhau đối với stress mặn trong thời gia cây con trên cơ sở xét nghiệm tăng trưởng và phát triển của cây, nhưng kết quả không có gì khác biệt ý nghĩa xét theo đặc điểm của cây bắp non trong điều kiện không xử lý. Muốn xác định gen đặc biệt có trong giai đoạn cây con phản ứng với stress mặn, người ta tạo ra 2 quần thể RILs (cận giao tái tổ hợp). Đó là RIL^pur-W22 và RIL^bro-W22 từ cặp lai giữa pur-W22 và bro-W22. Sau đó, người ta tiến hành phân tích transcriptome từ những cây bắp non được trong trong nghiệm thức stress mặn và nghiệm thức bình thường. Có tất cả 6.100 và 5.710 gen DEGs (differentially expressed genes) được người ta xác định trong quần thể RIL^pur-W22 và RIL^bro-W22, theo thứ tự, trong điều kiện stress mặn, khi so sánh với nhóm không xử lý. Trong số các gen DEGs này, có 3.160 gen được xác định có mặt trong cả 2 quần thể RIL^pur-W22 và RIL^bro-W22. Chúng đóng vai trò EDGs bị stress khá phổ biến mà chủ yếu ở trong tiến trình “redox”, tiến trình “monomer metabolic”, hoạt động xúc tác, ở trong màng plasma, và điều tiết tiến trình biến dưỡng. Bên cạnh đó, người ta tìm thấy 1.728 gen DEGs đặc biệt trong các dòng bắp chống chịu mặn của quần thể RIL^pur-W22 mà chúng không được tìm thấy trong quần thể nhiễm mặn RIL^bro-W22, theo đó, có 887 gen điều tiết theo kiểu “up” và 841 gen theo kiểu “down”. Những gen DEGs như vậy sơ khởi gắn kết với  các tiến trình sinh lý “redox”, điều tiết sinh học, và ở màng plasma. Chú ý, gen có chức năng tổng hợp anthocyanin trong quần thể RIL^pur-W22 kích thích mạnh mẽ trong nghiệm thức xử lý mặn, chúng tỏ ra nhất quán về kiểu hình chịu mặn của cây bắp non. Kết quả phân tích transcriptome không những chỉ mở ra tầm hiểu biết mới về cơ chế phân tử phúc tạp của anthocyanin để cải tiến tính chịu mặn của cây bắp non, mà còn cho kết quả biểu hiện gen DEGs trong các dòng bắp chịu mặn (RIL^pur-W22) cung cấp những gen ứng cử viên phục vụ nghiên cứu sâu di truyền.

Xem  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37570948/

Phổ biểu hiện lipidome và tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa

Nguồn: Soichiro Honda, Yumiko Yamazaki, Takumi Mukada, Weiguo Cheng, Masaru Chuba, Yozo Okazaki, Kazuki Saito, Akira Oikawa, Hayato Maruyama, Jun Wasaki, Tadao Wagatsuma, Keitaro Tawaraya. 2023. Lipidome Profiling of Phosphorus Deficiency-Tolerant Rice Cultivars Reveals Remodeling of Membrane Lipids as a Mechanism of Low P Tolerance. Plants (Basel); 2023 Mar 18; 12(6):1365. doi: 10.3390/plants12061365.

Thực vật đã và đang tiến hóa thông qua nhiều cơ chế khác nhau về chống chịu thiếu lân, một trong những cơ chế ấy là thay đổi thành phần lipid trong màng tế bào nhờ thực hiện “remodeling” các phospholipids với những phân tử non-phospholipids. Mục tiêu nghiên cứu là xác định “remodeling” các trong màng tế bào  trong nhiều giống lúa trồng được xử lý thiếu lân. Lúa (Oryza sativa L.), giống canh tác Akamai, Kiyonishiki, Akitakomachi, Norin No. 1, Hiyadateine, Koshihikari, và Netaro) được trồng trong nghiệm thức 0 (-P) và 8 (+P) mg P L^-1 môi trường dinh dưỡng lỏng. Chồi thân và rễ lúa được lấy mẫu vào lúc 5 và 10 ngày sau khi cây (DAT) trong dung dịch dinh dưỡng và theo dõi phổ biểu hiện lipidome bằng công cụ “liquid chromatography-mass spectrometry”. Phosphatidylcholine (PC)34, PC36, phosphatidylethanolamine (PE)34, PE36, phosphatidylglycerol (PG)34, phosphatidylinositol (PI)34 là những phân tử phospholipids chủ lực, và digalactosyldiacylglycerol (DGDG)34, DGDG36, 1,2-diacyl-3-O-alpha-glucuronosylglycerol (GlcADG)34, GlcADG36, monogalactosyldiacylglycerol (MGDG)34, MGDG36, sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG)34 và SQDG36 là những phân tử non-phospholipids chủ lực. Các phospholipids trong cây lúa thấp hơn nếu cây được trồng trong nghiệm thức thiếu lân so với cây được trồng trong nghiệm thức +P trong tất cả giống lúa thử nghiệm vào lúc 5 và 10 ngày sau cấy. Mức độ phân tử non-phospholipids cao hơn trong nghiệm thức -P so với trồng trong nghiệm thức +P trong tất cả giống lúa thử nghiệm vào lúa 5 và 10 DAT. Phân hủy phospholipids trong rễ lúa vào lúc 5 DAT tương quan với tính chống chịu thiếu lân. Kết quả gợi ra rằng các giống lúa đã tái lập trình lipids trong màng tế bào khi thiếu lân, khả năng tái lập trình (remodeling) góp phần vào tính trạng chống chịu thiếu lân.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36987053/

Đột biến có chủ đích cải tiến độ bạc bụng hạt gạo

Nguồn: Peter James Icalia Gann, Dominic Dharwadker, Sajedeh Rezaei Cherati, Kari Vinzant, Mariya Khodakovskaya, Vibha Srivastava. 2023. Targeted mutagenesis of the vacuolar H⁺ translocating pyrophosphatase gene reduces grain chalkiness in rice. The Plant Journal; (Published on line: May 2023); Volume115, Issue5; September 2023; Pages 1261-1276

Hình: Độ bạc bụng hạt gạo (Oryza savtiva L.) (Mitsui et al. 2013).

Độ bạc bụng (grain chalkiness) có dính  đến sản lượng gạo bởi vì nó tác động đến năng suất gạo xay chà và phẩm chất nấu, làm giảm giá trị thị trường gạo. Một gen mã hóa protein có tên “vacuolar H⁺ translocating pyrophosphatase” (gen V-PPase), là một locus trong hệ gen giống lúa loại hình indica, điều khiển tính trạng bạc bụng. Hoạt động phiên mã cao hơn của gen này gắn liền với kết quả bạc bụng tăng. Tuy nhiên, việc ức chế gen V-PPase có thể làm giảm bạc bụng vẫn chưa rõ ràng. Hơn nữa, biến dị trong tự nhiên về độ bạc bụng của loại hình cây lúa japonica không liên kết chặt với gen V-PPase. Ở đây, tác giả mô tả promoter đặc trưng của gen japonica V-PPase mà nó làm dẫn đến sự kiện làm giảm bạc bụng và phát triển ra nhiều hạt gạo trong. Sự gián đoạn của phân tử GATA theo giả định bởi hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 ức chế hoạt động của gen V-PPase, làm giảm bạc bụng và tác động tăng trưởng của hạt sau khi nẩy mầm; nó có thể được cứu bằng cách cung cấp thêm từ bên ngoài một chút đường sucrose. Hạt trưởng thành của dòng lúa chỉnh sửa gen đích biểu hiện tỷ lệ rất thấp  bạc bụng nhiều và bạc bụng trung bình. Chú ý, các dòng chỉnh sửa gen đã phát triển hạt gạo ít bạc bụng hơn trong điều kiện trời nóng, một tác nhân chính làm hạt gạo bạc bụng. Phân tích metabolomic cho thấy các chu trình có liên quan đến biến dưỡng tinh bột, biến dưỡng đường đều bị ảnh hưởng khi hạt lúa phát triển ở dòng lúa chỉnh sửa gen, chúng tương quan với pyrophosphate vô cơ cao hơn và hàm lượng tinh bột cao hơn, chúng điều tiết theo kiểu “up” đối với các gen sinh tổng hợp tinh bột. Tóm lại, việc tiếp cận phương pháp công nghệ sinh học làm giảm bạc bụng hạt gạo nhờ kỹ thuật “downregulating” hoạt động phiên mã của gen V-PPase dẫn đến kết quả tỷ chất chất biến dưỡng thay đổi đáng kể, bao gồm tinh bột, làm cho các hạt tinh bột đóng chặt hơn và tạo ra hạt gạo trong suốt.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.16317

Phổ biểu hiện transcriptome và metabolome và pro-vitamin A của giống sắn bản địa

Nguồn; Priscilla Olayide, Erik Alexandersson, Oren Tzfadia, Marit Lenman, Andreas Gisel, Livia Stavolone. 2023. Transcriptome and metabolome profiling identify factors potentially involved in pro-vitamin A accumulation in cassava landraces. Plant Physiol Biochem.; 2023 Jun; 199:107713. doi: 10.1016/j.plaphy.2023.107713.

Sắn (Manihot esculenta Crantz) là thực phẩm có mức độ ưu tiên cao trong cây trồng an ninh lương thực ở nhiều nước đang phát triển. Rễ củ được tồn trữ, giàu carbohydrate, nhưng thiếu nhiều vi chất cần thiết, trong đó có provitamin A carotenoids. Gia tăng hàm lượng carotenoid trong củ sắn tồn trữ là mục tiêu quan trọng làm giảm hội chứng thiếu vitamin A, một vấn đề sức khỏe khá phổ biến tại vùng cận Sahara, châu Phi. Tuy nhiên, kết quả cải tiến giống sắn diễn ra chậm chạp, chủ yếu do thiếu thông tin đối với các factors phân tử ảnh hưởng đến sự tích lũy β-carotene trong củ sắn. Tập trung vấn đề này, các tác giả tiến hành thực hiện phiên mã có tính chất so sánh và phân tích chất biến dưỡng không chủ đích (untargeted metabolic) ở rễ và lá sắn của 11 giống sắn bản địa Phi Châu biến thiên từ màu trắng đến màuvàng sậm, để khám phá các “regulators” của sinh tổng hợp carotenoid và sự tích lũy chất này với chức năng có tính chất bảo thủ của củ sắn màu vàng. Phân tích chuỗi trình tự DNA xác định được sự hiện diện của đột biến, có ảnh hưởng đến hàm lượng β-carotene, trong phân tử “PSY transcripts” của giống sắn củ vàng sậm không phải giống sắn có củ màu vàng nhạt. Người ta phân lập được các gen và cách chất biến dưỡng với mức độ biểu hiện và tích lũy gắn kết một cách có ý nghĩa với hàm lượng β-carotene. Đặc biệt, một hoạt động gia tăng chu trình “dị hóa” abscisic acid đi liền với sự giảm số lượng của L-carnitine, điều ấy có thể liên quan đến dòng “flux” của lộ trình carotenoid, cao hơn trong giống củ vàng so với giống củ trắng. Trong thực tế, NCED_3.1 được biểu hiện hết sức đặc biệt ở mức độ thấp hơn trong giống sắn củ vàng; điều này gợi ra rằng: đó có thể là mục tiêu tiềm năng làm tăng sự tích lũy carotenoid trong củ sắn. Kết quả lan tỏa kiến thức về những thành phần của chất biến dưỡng  và những cơ chế phân tử  có ảnh hưởng đến sinh tổng hợp carotenoid và tích lũy carotenoid trong củ sắn; cung cấp thông tin mới về ứng dụng công nghệ sinh học và cải tiến di truyền giống sắn  cao sản có giá trị dinh dưỡng cao.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37126903/

Hình. Biểu hiện lộ trình sinh học carotenoid, các gen đích ở tại lá sắn và củ sắn. (A) Thành phần chính của phân tích Biplot những gen biểu hiện có ý nghĩa tại lá sắn (panel bên trái) và củ sắn (panel bên phải). Sự phân biệt giống sắn bản địa với tọa độ giữa trục PC1 vs PC2 (B) Heatmap của các gen biểu hiện có ý nghĩa tại lá sắn và rễ sắn. Cột (giống bản địa) theo thứ tự từ trái sang phải căn cứ theo hàm lượng β -carotene tăng lên tại củ sắn. Hàng (các gen) theo thứ tự từ đỉnh xuống đáy tùy theo chuỗi trình tự.