Tuần tin khoa học 536 (26/06-02/07/2017)

Đánh giá các nguyên tố trong tiến hóa loài cây trồng và nghiên cứu nguồn gốc nền nông nghiệp của thế giới

Dolores R. Piperno thuộc cơ quan Smithsonian National Museum of Natural History, Washington DC, Hoa Kỳ đã công bố bài viết này trên PNAS (June 20 2017; vol.114; no.25: 6429–6437). Sự phát triển nông nghiệp trong xã hội loài người đã diễn ra như là một trong những sự kiện mang tính chất biến đổi nhiều nhất và có tính chất lịch sử mang đậm dấu ấn sinh môi học. Người ta đã tiến hành trong suốt chiều dài lịch sử phát triển này thông qua việc thuần hóa giống gia súc và giống cây trồng. Việc thuần hóa giống cây trồng diễn ra từ 12.000–10.000 năm trước tại nhiều vùng canh tác chủ lực của thế giới, đó là vùng nhiệt đới của Tân Thế Giới, Đông Nam Á, và Trung Hoa. Nó diễn ra trong thời kỳ có những xáo trộn sâu sắc về môi trường trên quả địa cầu trong giai đoạn Pleistocene vừa kết thúc và chuyển sang giai đoạn Holocene. Sự thuần hóa diễn ra tại trung tâm của quá trình tiến hóa, và lý thuyết tiến hóa của người tiền sử đã được dựng nên trong khi nghiên cứu nguồn gốc của nông nghiệp. Tương tự, các nhà di truyền nghiên cứu nhiều về giống cây trồng hiện đại và những tổ tiên của chúng là các loài hoang dại để tư liệu hóa nhiều số liệu quan trọng về các cơ chế sinh học, thông qua sự chuyển biến các kiểu hình từ hoang dại sang kiểu hình của loài được thuần hóa, để canh tác có hiệu quả cao hơn.

Xem  http://www.pnas.org/content/114/25/6429.abstract.html?etoc

Chu trình khử nitrogen thông qua hệ thống tương tác giữa sinh học và chất vô cơ

Chong Liu và ctv. vừa công bố trên tạp chí PNAS (June 20 2017) về chu trình tuần hoàn nitrogen và sự cố định đạm từ khí quyển  là nội dung vô cùng bức thiết đối với sản xuất lương thực, thực phẩm của thế giới. Tiến trình công nghiệp mang tên  Haber–Bosch làm cho một nửa sự cố định đạm trên thế giới này ở dưới dạng ammonia nhưng đó cần có năng lượng và nguồn tài nguyên, sử dụng khí tự nhiên như một nguồn năng lượng chính và hydrogen ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Các tác giả đã tiếp cận với pp tổng hợp ra ammonium từ N₂ và H₂O trong những điều kiện môi trường tự nhiên được tạo năng lượng bởi việc tách phân tử nước, điều ấy có thể làm cho phản ứng luôn luôn được tái tạo, làm mới. Hệ thống có tính chất xen lẫn giữa “vô cơ” và “sinh học hữu cơ” như vậy làm cố định nitrogen trong khí quyển ở trạng thái NH₃ hoặc trạng thái sinh khối có khả năng hòa tan với các “fluxes” rất cao cũng như tạo hiệu quả cao về năng lượng. Cùng lúc ấy, hệ thống canh tác này đưa vào đất vi khuẩn Xanthobacter autotrophicus  đang hoạt động tạo ra một phân bón sinh học đầy tiềm năng (potent biofertilizer) cho phép chúng ta tăng năng suất cây trồng.

Xem http://www.pnas.org/content/114/25/6450.full

Cần thụ hàn (vernalization) cây cỏ Brachypodium distachyon với hệ gen REPRESSOR OF VERNALIZATION1

Daniel P. Woods và ctv. đã nghiên cứu sự tiến hóa của hệ thống sinh lý thực vật – sự thụ hàn – tiếng Anh là “vernalization” đối với loài thực vật phát triển ở vùng lạnh, để thụ phấn và phát triển noãn thành công. Đặc điểm chủ yếu của sự tiến hóa đối với hệ thống “vernalization” như vậy là một thành phần có tính chất “điều tiết di truyền trong khi lạnh giá”. Trong loài cỏ họ Hòa Bản, sự điều tiết di truyền theo kiểu “UP” với promoter của gen điều hành sự trổ hoa là gen VERNALIZATION1 (VRN1) do thời tiết lạnh kéo dài, chính là chìa khóa để chúng ta hiểu biết về sự thụ hàn, Mặc dù người ta chưa rõ về những gen như vậy, chúng ức chế VRN1 trước khi lạnh xuất hiện hoặc kích hoạt ngay sau đó. Ở đây, người ta báo cáo rằng  sự xác định gen REPRESSOR OF VERNALIZATION1 (RVR1), một repressor của VRN1 nó có trong “hiện tượng vernalization” rất cần thiết cho cây cỏ Brachypodium distachyon (hình). Gen RVR1 xuất hiện trong các bộ genome khi trổ bông, với trình tự đã được giải mã, nhưng người ta không tìm thấy nó ở loài khác trong ngành thực vật. Báo cáo này mô tả vai trò của lớp RVR1 của các gen ấy trong thực vật và một thành phần tại “upstream” của gen trong hệ thống điều tiết VRN1.

Xem

http://www.pnas.org/content/114/25/6623.abstract.html?etoc

PNAS June 20 2017; vol.114; no.25: 6623–6628

Sự phosphoryl hóa và sự điều tiết theo hướng tiêu cực của gen CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 do PINOID trong cây Arabidopsis

Fang Lin và ctv. đã công bố kết quả nghiên cứu này trên tạp chí PNAS ngày 20 tháng 6 năm 2017. Là một enzyme có tên là E3 ubiquitin, protein CONSTITUTIVELY PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) thực hiện một cách trực tiếp phân giải protein thành amino acid (ubiquitinate) và kích hoạt sự phân giải nhiều đối tượng khác có tính chất downstream, rồi hoạt động như một phân tử repressor trung tâm trong sự truyền tín hiệu có liên quan đến ánh sáng. Kết quả nghiên cứu cho thấy Ser/Thr kinase, PINOID (PID), khởi động sự phát triển quá trình phát sinh ra hình thái học trong quang hợp. PID tương tác trực tiếp với COP1 và cơ chất quang hợp “phosphorylates” tại vị trí Ser20, do vậy, nó ức chế hoạt động của COP1 trong thực vật. Kết quả còn cho thấy một cơ chế điều tiết chuẩn xác nhằm duy trì hoạt động tương ứng của COP1 đối với sự thay đổi điều kiện chiếu sáng trong cây.

Thay đổi tính chống chịu stress liên quan đến cơ chế áp suất thẩm thấu của khoai tây (Solanum tuberosum L.) đặc biệt là khô hạn

Bungdig C. và ctv. đã công bố kết quả khoa học này trên tạp chí “Agronomy and Crop Science”; Volume 203, Issue 3 June 2017 Pages 206–218. Cây khoai tây có tên khoa học là Solanum tuberosum (potato) là loài thục vật rất nhạy cảm với stress khô hạn nhưng là loài cây trồng rất hữu dụng cho con người xét về mặt lương thực và năng lượng. Với các giống khoai tây khác nhau trong phản ứng chống chịu hay nhiễm khô hạn làm cho nó có sức hấp dẫn rất lý thú cho các nhà khoa học. Nhóm tác giả tiến hành khảo sát 18 giống khoai tây trồng và hai loài khoai tây hoang dại, S. tarijense và S. chacoense, đối với stress liên quan đến điều hóa áp suất thẩm thấu (osmotic strss) in vitro bằng cách cho thêm 0.2 m sorbitol vào môi trường nuôi cấy rắn. Ở đây, họ quan sát thấy có một tỷ lệ giữa rễ và chồi thân tính theo khối lượng khô (DM) tương ứng với chỉ số SSI (stress susceptibility index, tương đương với “drought susceptibility index” của Fischer và Maurer, Aust. J. Agron. Res., 29, 1978). Khối lượng chất khô của chồi thân (shoot DM) là những thông số thích đáng có liên quan đến tính chất đặc thù của từng giống khoai tây in vitro sự chống chịu hạn. Số liệu stress do khô hạn từ thí nghiệm trong chậu có mái che mưa (2013 và 2015) tương quan rất kém với  số liệu ghi nhận theo thí nghiệm in vitro. Tuy nhiên, giống khoai tây chịu hạn tốt nhất và chịu hạn kém nhất in vitro cũng biểu hiện giống như vậy trong điều kiện in vivo. Cả hai cách xử lý in vitro và in vivo, hàm lượng proline tăng lên khi có stress mang tính chất “osmotic”, nhưng không có tương quan trực tiếp nào được ghi nhận đối với tính chống chịu stress. Tuy nhiên, có một giống được người ta xếp vào nhóm chống chịu biểu hiện sự tích lũy proline sớm hơn giống khác. Proline được xem như một yếu tố giúp cây chống chịu stress thành công, nhưng không thể được sử dụng để phân biệt giống khoai tây chịu hạn và giống khoai tây không chịu hạn in vitro. Phân tích điều tiết áp suất thẩm thấu in vitro và in vivo cây khoai tây đều biểu hiện tính chất tăng lên một cách tổng quát so với đối chứng.

Xem:  http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jac.12186/abstract