Tuần tin khoa học 615 (01-06/01/2019)

Phân tích proteomic và sinh lý học tính chống chịu khô hạn lâu dài của cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Shan Z, Luo X, Wei M, Huang T, Khan A, Zhu Y. 2018. Sci Rep.

Stress khô hạn là một trong những stress phi sinh học làm hạn chế sự tăng trưởng và phát triển của cây sắn (Manihot esculenta), làm giảm đáng kể năng suất sắn trên thế giới. Tuy nhiên những nghiên cứu về proteomics và sinh lý thực vật giúp cây sắn có thể điều chỉnh sinh lý và biến dưỡng dưới điều kiện bị khô hạn vẫn còn rất hạn chế. Phối hợp nghiên cứu proteomics và sinh lý lá sắn để tìm hiểu khả năng chống chịu hạn của nó dẫn đến kết quả làm tăng khả năng chống chịu là mục tiêu của nghiên cứu này. Giống sắn Xinxuan 048 (XX048) trong điều kiện tưới nước bình thường làm đối chứng (CK),với chỉ số RSWC (relative soil water content) là 80 ± 5%, điều kiện thiếu nước ít (mild drought stress) (LD, RSWC là 65 ± 5%), điều kiện thiếu nước trung bình (MD, RSWC là 50 ± 5%) và điều kiện thiếu nước nghiêm trọng (SD, RSWC là 35 ± 5%) vào lúc 30 ngày sau khi trồng. Trong điều kiện bị stress do khô hạn, cây sắn biểu hiện giảm chiều cao cây, giảm đường kính thân, giảm số lá, giảm hàm lượng nước trong lá, hàm lượng nước tự do (free water content) gắn xung quan phân tử nước trong lá cũng giảm (FW/BW), giảm hiệu suất quang hợp thuần (Pn), giảm hàm lượng CO₂ liên bào (Ci), giảm vận chuyển của khí khổng (Gs) và giảm bốc hơi nước (Tr) so với nghiệm thức đối chứng. Tuy nhiên, hàm lượng nước trong lá, giá trị SPAD, khả năng thẩm thấu qua màng (cell membrane permeability), malondialdehyde (MDA), đường dễ tan, hàm lượng protein proline SOD và hoạt tính của men CAT đạt mức đỉnh cao nhất khi bị stress do khô hạn. Phân tích proteomic cho thấy có khoảng 3.339 proteins, xảy ra khi bị stress với mức tăng lên đáng kể và số protein bị giảm đi là 262 và 296 proteins so với đối chứng. Những proteins này có trong cơ chế biến dưỡng carbohydrate làm năng lượng, hiện tượng protein homeostasis, trong phiên mã, trong kiến trúc tế bào, trong vận chuyển liên bào, trong sự truyền tín hiệu, trong phản ứng với stress và tự vệ của cây. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30568257.

Chỉnh sửa hệ gen trong cải tiến giống cây trồng - Ứng dụng nhân dòng vô tính cây khoai tây (Solanum tuberosum L.)

Nguồn: Nadakuduti SS, Buell CR, Voytas DF, Starker CG, Douches DS. 2018. Front Plant Sci.

Chỉnh sửa hệ gen đã và đang là ngành sinh học mang tính chất cách mạng. Bộ Nông Nghiệp Mỹ đã tiến hành soạn thảo các văn kiện pháp luật để phát triển giống cây trồng có “transgene-free” thông qua công nghệ “genome-editing” nhằm mở ra con đường mới để cải tiến giống cây trồng, đặc biệt loài cây có thể nhân giống vô tính dị hợp tử, đa bội thể; ví dụ như cây khoai tây Solanum tuberosum Group Tuberosum L. Đây là cơ hội vô cùng to lớn để cải tiến các tính trạng mong muốn. Đối với khoai tây, các tính trạng như kháng lạnh giá kích thích độ ngọt của tinh bột, làm tăng hiệu quả chế biến khoai tây, chống chịu thuốc diệt cỏ, cải tiến phẩm chất tinh bột và cải tiến khả năng tiếp hợp (self-incompatibility) thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 và hệ thống TALEN cho các dòng lưỡng bội và tứ bội. Tuy nhiên, tiến trình này tỏ ra bị hạn chế đối với các loài cây trồng như khoai lang, dâu tây, nho, cây có múi, chuối etc., Theo tổng quan này, các tác giả đã tóm lược những phát triển trong công nghệ chỉnh sửa hệ gen, những cơ chế đã được vận dụng thành công, có khả năng ứng dụng cho cây trồng; để rồi sau đó họ thảo luận những phát triển gần đây nhất trong hành lang pháp lý đối với cây trồng chỉnh sửa gen như vậy tại Hoa Kỳ và tại Châu Âu. Sau đó, họ cho chúng ta những hiểu biết về các thách thức của công nghệ “genome-editing” khi nhân giống vô tính cây trồng đa bội thể, hiện trạng cải tiến giống cây trồng với những triển vọng của tương lai nhất là cây khoai tây, cây trồng đáp ứng cho mục tiêu an ninh lương thực toàn cầu.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30483283

Yếu tố phiên mã mới WRKY, gen MuWRKY3 (Macrotyloma uniflorum Lam. Verdc.) làm tăng tính chống chịu stress khô hạn của cây đậu phọng biến đổi gen (Arachis hypogaea L.)

Nguồn: Kiranmai K, Lokanadha Rao G, Pandurangaiah M, Nareshkumar A, Amaranatha Reddy V, Lokesh U, Venkatesh B, Anthony Johnson AM, Sudhakar C. 2018. Front Plant Sci.

Stress o khô hạn có ảnh hưởng bất lợi cho tăng trưởng, hấp thu nước, quang tổng hợp và năng suất của cây đậu phọng. Yếu tố phiên mã WRKY (TFs) là những protein TFs hết sức chuyên biệt; nó điều hòa nhiều gen phản ứng với stress định vị dưới nguồn (down-stream stress-responsive genes). Nó có vai trò rất cần thiết giúp cây phản ứng lại với stress sinh học và phi sinh học. Người ta tìm thấy gen WRKY3 điều tiết theo kiểu UP rất mạnh mẽ khi có stress do khô hạn xảy ra. Họ tiến hành phân lập một gen mới WRKY3TF từ cây “horsegram” – tên khoa học là Macrotyloma uniflorum Lam. Verdc., cây phản ứng với khô hạn khá tích cực. Những nghiên cứu về domain của protein này cho thấy protein được mã hóa bởi gen nói trên có những vùng mà tính bảo thủ của chúng rất cao, đặc biệt là hai domains WRKY và hai motif “C2H2 zinc-finger”. Những nghiên cứu về vị trí dung hợp protein của cây transient MuWRKY3-YFP cho thấy rằng: chúng điọnh vị ở trong nhân. Sự thể hiện mạnh mẽ gen MuWRKY3 TF trong cây đậu phọng (Arachis hypogaea L.) cho thấy tính chống chịu kho6 hạn gia tăng đáng kể so với cây nguyên thủy (WT: wild-type).  Cây đậu phọng chuyển gen MuWRKY3 biểu hiện triệu chứng héo khô lá ít hơn và xảy ra chậm hơn cây đậu phọng WT  sau 10 ngày xử lý khô hạn. Cây đậu phọng transgenic thể hiện gen MuWRKY3 cho thấy tích tụ ít hơn malondialdehyde, hydrogen peroxide (H₂O₂), và superoxide anion (O₂^∙-), đồng thời đi kèm theo nhiều “free proline” hơn, nhiều đường tổng số hòa tan hơn, và hoạt tính của những enzymes có tính chất “antioxidant” cũng mạnh mẽ hơn cây đậu phọng WT trong điều kiện bị stress khô hạn. Hơn nữa, một series các gen có liên quan đến LEA, HSP, MIPS, APX, SOD, và CAT được ghi nhận điều tiết theo kiểu “up” trong cây đậu phọng transgenic. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng MuWRKY3 TF định vị trong nhân, điều tiết sự thể hiện của các gen có liên quan đến phản ứng với stress và hoạt động của “ROS scavenging enzymes”; mà những enzymes này giúp cải tiến tính chống chịu khô hạn của cây đậu phọng. Các tác giả đã kết luận rằng MuWRKY3 có thể được xem như một gen ứng cử viên giả định phục vụ cho nội dung cải tiến giống cao sản chống chịu với stress. Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29616059

Hình 1

(A) Sự thể hiện của gen MuWRKY3 trong cây horsegram dưới điều kiện bị stress phi sinh học thông qua kết quả real-time PCR. Thanh sai số biểu thị bằng giá trị SD (standard deviations) từ thí nghiệm 3 lần lập lại, những chữ khác nhau biểu thị ở mức P < 0.05. (B) Phân tích theo mô hình “Unrooted Bootstrapped Neighbor Joining” với cây gia hệ của gen MuWRKY3 và trình tự protein WRKY từ nhiều loài khác nhau. Trình tự amino acid của vùng domain có tính bảo thủ cao WRKY được so sánh theo cơ sở dữ liệu ClustalX version 2.1. MuWRKY3 được đóng khung.

Yếu tố phiên mã WRKY từ gen GmWRKY12 liên quan đến tính chống chịu hạn và mặn của cây đậu nành

Nguồn: Shi WY, Du YT, Ma J, Min DH, Jin LG, Chen J, Chen M, Zhou YB, Ma YZ, Xu ZS, Zhang XH. 2018. Int J Mol Sci.

WRKYs là những regulators vô cùng quan trong trong sự phát triển của cây trồng cũng như phản ứng với stress. Tuy nhiên, kiến thức về họ protein có tính chất “superfamily” ấy trong cây đậu nành vẫn còn được biết rất ít. Theo kết quả nghiên cứu này, các tác giả đã định tính gen GmWRKY12 điều khiển tính chống chịu hạn và mặn trên cơ sở phân tích RNA-Seq và qRT-PCR. Gen GmWRKY12, với độ dài phân tử 714 bp, mã hóa 237 amino acids và được xếp vào nhóm WRKY II. Vùng promoter của gen GmWRKY12 bao gồm ABER4, MYB, MYC, GT-1, W-box và DPBF cis-elements, mà chúng có thể đã tham gia vào chu trình của abscisic acid (ABA), phản ứng với khô hạn và mặn. Gen GmWRKY12 thể hiện rất yếu trong các mô tế bào khác nhau trong điều kiện bình thường, gen sẽ thể hiện mạnh mẽ trong điều kiện bị stress do khô hạn và mặn. Vì là một protein ở trong nhân, nên GmWRKY12 sẽ phản ứng với khô hạn, mặn, ABA và salicylic acid (SA). Sử dụng phương pháp “transgenic hairy root assay”, người ta định tính  sâu hơn các vai trò của gen GmWRKY12 trong chống chịu stress phi sinh học. Do với giống đối chứng (Williams 82), sự thể hiện mạnh mẽ của gen GmWRKY12 đã làm tăng cường tính chống chịu khô hạn và mặn, làm gia tăng proline (Pro) và làm giảm malondialdehyde (MDA) dưới điều kiện cho xử lý khô hạn và mặn, cây đậu nành chuyển gen ở giai đoạn cây con. Kết quả nghiên cứu này cho chúng ta cơ sở khoa học để hiểu được chức năng của gen GmWRKY12 phản ứng với stress phi sinh học của cây đậu nành.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30562982

OsDIRP1, một ligase RING E3 giả định, có chức năng đối nghịch với phản ứng khi có khô hạn và lạnh như một yếu tố vừa “negative” với khô hạn và “positve” với lạnh của cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Cui LH, Min HJ, Byun MY, Oh HG, Kim WT. 2018. Front Plant Sci.

Cây trồng bậc cao là những loài sinh vật “sessile” (đứng yên), chúng không thể di động tới vị trí thuận lợi hơn; do đó, chúng đã và đang phát triển khả năng sống sót dưới những điều kiện bất lợi như vậy. “Ubiquitination” là một cải biên protein hậu giải mã rất cần thiết cho sự sống; và tham gia tích cực vào các phản ứng khi co stress phi sinh học xảy ra của thực vật bậc cao. Theo kết quả nghiên cứu này, protein OsDIRP1 (Oryza sativa Drought-Induced RING Protein 1) đã được định tính và phân lập thành công, đây là một ubiquitin ligase giả định có ở nhân tế bào, tên là RING E3, có trong cây lúa (Oryza sativa L.). Sự thể hiện gen OsDIRP1 bị kích thích bởi khô hạn, mặn cao, và xử lý abscisic acid (ABA), nhưng không bị kích thích bởi nhiệt độ lạnh (stress ở 4°C). Điều này cho thấy: gen OsDIRP1 được điều tiết rất khác biệt bởi những stress phi sinh học khác nhau. Muốn nghiên cứu vai trò của những phản ứng stress phi sinh học như vậy, người ta phải căn cứ vào sự thể hiện mạnh mẽ gen OsDIRP1 trong cây lúa transgenic (Ubi:OsDIRP1-sGFP). Người ta còn phải kết hợp việc theo dõi đánh giá kiểu hình. Dòng lúa T4 Ubi:OsDIRP1-sGFP cho thấy có sự suy giảm tính chống chịu khô hạn và mặn khi so sánh với dòng lúa nguyên thủy (WT). Hơn thế nữa, dòng con Ubi:OsDIRP1-sGFP ít nhạy cảm hơn đối với ABA so với dòng WT trong cả hai thời kỳ: nẩy mầm và hậu nẩy mầm. Trái lại, dòng Ubi:OsDIRP1-sGFP biểu hiện đáng kể tính chống chịu lạnh ở nghiệm thức 4°C. Như vậy, OsDIRP1 hoạt động như một “negative regulator” khi bị stress khô hạn và mặn, trong khi đó, nó là một “positive factor” đối với stress lạnhtrong cây lúa. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30568669

Phân tích transcriptome và xác định chức năng của gen xa13 và Pi-ta của lúa hoang Oryza granulata

Nguồn: Yang R, Li J, Zhang H, Yang F, Wu Z, Zhuo X, An X, Cheng Z, Zeng Q, Luo Q. 2018.

Plant Genome.

Oryza granulata Nees & Arn. ex Watt, là loài đa niên thuộc genome GG, bảo tồn được nhiều gen quý hiếm phục vụ cho cải tiến giống lúa trồng (Oryza sativa L.). Hiện nay, không có nguồn vật liệu di truyền nào sẵn sàng cho nghiên cứu. Nhóm tác giả bài viết này đã ghi nhận 91.562 phân tử transcripts có chất lượng tốt de novo. Bên cạnh đó, người ta tiến hành phân tích “comparative transcriptome” với kết quả như sau: 1.311 cặp đồng dạng của từng bản sao  (single-copy orthologous pairs) sẵn sàng được chia sẻ bởi Zoll. & Moritzi Baill. Điều ấy có thể thay đổi được sự tiến hóa mang tính chất thích nghi. Các tác giả công trình nghiên cứu này đã có kết quả phân tích các gen nói trên bao gồm mối quan hệ giữa pathogen và gen kháng của cây chủ trên cơ sở phân tử về tính kháng bệnh, và xác định được các phân tử cDNAs có chiều dài đầy đủ và những gen đồng dạng của chúng (orthologs). Sự thể hiện mạnh mẽ của chúng trong giống lúa Nipponbare và chức năng của chúng được định tính trên cơ sở tính kháng bệnh của giống Nipponbare chuyển gen đối với tính kháng bệnh đạo ôn khẳng định sự hiện diện của những gen kháng. Một phân tử transcript của gen kháng bệnh đạo ôn mã hóa 1024 amino acid polypeptide với domain thioedoxin có đầu C. Nghiên cứu này cho chúng ta một nguồn vật liệu vô cùng quan trọng để nghiên cứu chức năng của gen và sự tiến hóa của gen trong chi Oryza.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30512031

Hình 1. Chú thích di truyền và nhóm gen có chức năng của những “unigenes” tập hợp chung với nhau. (A) Giản đồ Venn theo kết quà “annotation” của những unigenes được tìm thấy ứng với cơ sở dữ liệu của 4 proteins. (B) Xếp hạng “Gene Ontology” (GO). (C) Giản đồ Histogram phân nhóm các Orthologous Groups (COG). (D) Tốp 20 gen theo “Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes” (KEGG). Sự phân loại như vậy dựa trên cơ sở các chuẩn mực như: phản ứng biến dưỡng (màu đỏ), tiến trình thông tin di truyền (màu vàng cam), tiến trình thông tin môi trường (màu xanh lá cây), tiến trình xảy ra trong tế bào (màu xanh dương), và hệ thống mang tính chất cơ quan (màu tím).