Tuần tin khoa học 729 (22-28/03/2021)

Điều tiết hậu giải mã những TFs kích hoạt gen nhạy cảm với nhiệt độ lạnh

Nguồn: Satoshi Kidokoro, Kentaro Hayashi, Hiroki Haraguchi, Tomona Ishikawa, Fumiyuki Soma, Izumi Konoura, Satomi Toda, Junya Mizoi, Takamasa Suzuki, Kazuo Shinozaki, and Kazuko Yamaguchi-Shinozaki. 2021. Posttranslational regulation of multiple clock-related transcription factors triggers cold-inducible gene expression in Arabidopsis PNAS March 9, 2021 118 (10) e2021048118

Yếu tố phiên mã (TFs) DREB1/CBF có chức năng như những nút bật tắt chủ yếu đối với stress lạnh để cây Arabidopsis thích ứng với nhiệt độ lạnh. Stress lạnh kích thích hoạt động của gen DREB1 rất mạnh mẽ, và làm sáng tỏ cơ chế kích thích DREB1 trong phản ứng của cây đối với stress lạnh. Công trình nghiên cứu này chứng minh rằng những proteins MYB liên quan đến đồng hồ sinh học có tên là RVE4 và RVE8 nhanh chóng được vận chuyển từ tế bào chất vào trong nhân khi cây phản ứng với stress lạnh, có chức năng của một activator phiên mã trong sự thể hiện gen DREB1. Những protein MYB khác là CCA1 và LHY, ức chế sự biểu hiện gen DREB1 trong điều kiện bình thường không có stress, chúng nhanh chóng được phân giải dưới điều kiện stress lạnh, điều này cho thấy: những yếu tố ấy điều rtiết gián tiếp sự biểu hiện gen DREB1. Người ta kết luận rằng sự điều tiết có tính chất hậu giải mã ấy của những TFs liên quan đến đồng hồ sinh học đã kích hoạt sự biểu hiện gen liên quan đến lạnh.

Stress lạnh là điều kiện ngoại cảnh ảnh hưởng đến sự tăng trưởng, phát triển và năng suất cây trồng. Dưới điều kiện stress lạnh, sự biểu hiện của nhiều gen có chức năng phản ứng với stress  và chống chịu được kích hoạt trong những loài cây khác nhau, và protein DREB (dehydration-responsive element binding protein) là 1/C-repeat binding factor (DREB1/CBF) có chức năng TFs là những nút bật tắt chính để gen liên quan đến lạnh biểu hiện. Stress lạnh kích hoạt mạnh mẽ những gen DREB1. Do đó, nguòi ta xem đó rất quan trọng trong cơ chế biểu hiện gen DREB1 khi cây phản ứng với stress lạnh để làm rõ mức độ nhạy cảm, mức độ phản ứng  với stress lạnh của cây. Nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng: các thành phần của đồng hồ sinh học (circadian clock), CIRCADIAN CLOCK-ASSOCIATED 1 (CCA1) và LATE ELONGATED HYPOCOTYL (LHY), bao gồm sự biểu hiện gen DREB1, nhưng người ta không biết rõ cơ chế diễn ra như thế nào. Người ta nhấn mạnh đến những protein MYB liên quan đến đồng hồ sinh học có tên là  REVEILLE4/LHY-CCA1-Like1 (RVE4/LCL1) và RVE8/LCL5. Chúng nhanh chóng chuyển từ tế bào chất vào nhân khi cây bị stress lạnh, có chức năng như những activatorstrực tiếp phiên mã trong thể hiện gen DREB1. Người ta thấy CCA1 và LHY ức chế sự biểu hiện của gen DREB1s trong điều kiện không có stress lạnh và nhanh chóng thoái hóa khi cây phản ứng với stress lạnh. Điều này cho thấy chúng hoạt động như những repressors phiên mã và điều tiết gián tiếp sự biểu hiện gen DREB1s liên quan đến lạnh. Kết luận: sự điều tiết hậu giải mã (posttranslational regulation) của những TFs liên quan đến đồng hồ sinh học kích hoạt sự biểu hiện của gen liên quan đến lạnh. Kết quả này làm rõ những mối quan hệ phức tạp giữa đồng hộ sinh học thực vật và cơ chế điều tiết trong biểu hiện gen chống chịu lạnh.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/10/e2021048118

Phân tích đột biến 1AR element ở promoter của gen DREB1A và phân lập TFs (transcription factors) gắn với Evening Element (EE) của 1AR.

Gen PHOTO-SENSITIVE LEAF ROLLING 1 mã hoá men polygalaturonase, giúp cây lúa chống chịu khô hạn

Nguồn: Guangheng Zhang, Xin Hou, Li Wang, Jing Xu, Jian Chen, Xue Fu, Nianwei Shen, Jinqiang Nian, Zhuanzhuan Jiang, Jiang Hu, Li Zhu, Yuchun Rao, Yafei Shi, Deyong Ren, Guojun Dong, Zhenyu Gao, Longbiao Guo, Qian Qian, Sheng Luan. 2021. PHOTO-SENSITIVE LEAF ROLLING 1 encodes a polygalacturonase that modifies cell wall structure and drought tolerance in rice. New Phytol. 2021 Jan; 229(2):890-901.

Sinh tổng hợp và cải biên thành phần cũng như cấu trúc thành tế bào được điều khiển bởi hàng trăm enzymes. Chúng có hiệu quả trực tiếp đế tăng trưởng và phát triển của thực vật. Tuy nhiên, đa số những enzymes ấy chưa được định tính rõ ràng về chức năng. Những dòng lúa đột biến có kiểu hình lá lúa dạng cuộn tròn (leaf-rolling) như lá mo đã được người ta thanh lọc trên đồng ruộng. Phân tích kiểu hình cho thấy: dưới những nghiệm thức khác nhau về ngoại cảnh, dòng đột biến được tuyển chọn và gen tương ứng được xác định bằng phương pháp map-based cloning (dòng hóa trên cơ sở bản đồ di truyền). Thành phần của thành tế bào được phân tích bằng phương pháp glycome profiling assay. Người ta xác định được đột biến gen psl1 (photo-sensitive leaf rolling 1) với kiểu hình 'napping' (ức chế quang hợp vào giữa trưa) và kiểu hình tăng trưởng chậm. Gen PSL1 mã hóa enzyme định vị trong thành tế bào polygalacturonase (PG), enzyme phân giải pectin. Alen đột biến psl1 với đoạn phân tử mất đoạn 260-bp điều kiển tính trạng leaf rolling khi phản ứng với cường độ mạnh của ánh sáng và/hoặc ẩm độ không khí thấp. Kết quả xét nghiệm sinh hóa cho thấy hoạt động của enzyme PG thuộc protein PSL1 có tính chất tái tổ hợp (recombinant PSL1). Những cải biên đáng kể đối với thành phần thành tế bào trong dòng lúa đột biến psl1 được so sánh với cây nguyên thủy (wild-type). Những cải biến ấy làm tăng cường tính chống chịu khô hạn của dòng đột biến, thông qua sự giảm đi lượng nước bị mất dưới điều kiện stress áp suất thẩm thấu (osmotic stress) và khô hạn. Gộp lại tất cả sự kiện, chúc năng của PSL1 là một enzyme PG có khả năng cải biên sinh tổng hợp thành tế bào, sự phát triển của cây và chống chịu khô hạn trong cây lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32858770/

GWAS phẩm chất nấu nướng đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.)

Nguồn: Amber Bassett, Kelvin Kamfwa, Daniel Ambachew & Karen Cichy. 2021. Genetic variability and genome-wide association analysis of flavor and texture in cooked beans (Phaseolus vulgaris L.). Theoretical and Applied Genetics March 2021; vol. 134:  959–978.

Phẩm chất nấu nướng đậu cô ve biến thiên rất mạnh mẽ trong 20 kiểu hình hạt đậu Andean; chỉ thị phân tử SNPs liên kết có ý nghĩa với tính trạng flavor, beany, earthy, starchy, bitter, seed-coat perception, và kiến trúc hai lá mầm.

Đậu cô ve lấy hạt khô là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng của thế giới, nhưng mức tiêu thụ của nó thấp ở Hoa Kỳ. Cải tiến phẩm chất nấu nướng như flavor (mùi vị hạt đậu) và kiến trúc lá mầm (cotyledon texture) thông qua cải tiến tiến đậu là một tiềm năng còn rất lớn để cải thiện mức độ chấp nhận của người tiêu dùng, thích ứng với nông sản mới có tính chất đến người tiêu dùng cuối cùng (new end-use products). Người ta biết rất ít về cơ sở di truyển genetic của những tính trạng có liên quan đến phẩm chất nấu nướng đậu cô ve. Tập đoàn giống đậu cô ve bao gồm 430 mẫu giống thuộc Andean Diversity Panel đại diện cho hai mượi lịai hình hạt đậu cô ve (seed types), được người ta trồng tại 3 địa điểm khác nhau. Hạt nấu nướngđược đánh giá bằng phương pháp trained sensory panel đối với mùi vị và những đặc điểm liên quan đến cấu trúc hạt (texture attribute intensities), bao gồm total flavor, beany, vegetative, earthy, starchy, sweet, bitter, seed-coat perception (màu sắc võ hạt ưa thích), và cấu trúc lám mầm trong hạt. Biến thiên di truyền rất lớn trong những thuộc tính mang tính chất sensory (cảm quan) như vậy được quan sát với nhiều loại hình hạt đậu khác nhau. Tập đoàn giống đậu cô ve được xác định biểu thị những thuiộc tính cảm quan cực mạnh thông qua ghi nhận ở 3 địa điểm khác nhau. Sự chấp nhập của người tiêu dùng về màu võ hạt (seed-coat perception) và mùi vị (total flavor intensity) có hệ số di truyền nghĩa rộng H_bs cao nhất (0.39 và 0.38, theo thứ tự). Tính cảm quan về earthy và sinh thực (vegetative) có hệ số di truyền thấp nhất (0.14 và 0.15, theo thứ tự). Độ bột và vị ngọt (starchy and sweet flavors) tương quan thuận và cao nhất trong các giống đậu hạt trắng theo phân tích PCA (principal component analysis). Chỉ thị phân tử SNPs liên quan đến cảm quan mùi vị (6 SNPs định vị trên 3 nhiễm sắc thể), beany (hạt đậu) (5 SNPs trên 4 nhiễm sắc thể), earthy (3 SNPs trên 2 nhiễm sắc thể), độ bột (starchy) (1 SNP), cảm quan đắng (bitter) (1 SNP), cảm quan màu sắc vỏ hạt chấp nhận được (3 SNPs trên 2 nhiễm sắc thể), và cấu trúc lá mầm hạt (2 SNPs trên 2 nhiễm sắc thể).

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03745-3

Giản đồ Manhattan và QQ plots đối với tính trạng total flavor intensity, beany intensity, earthy intensity, seed-coat perception, và cotyledon texture của tập đoàn giống đậu cô ve Andean Diversity Panel. Bản đồ sử dụng BLINK với BLUPs lấy từ 3 địa điểm thí nghiệm. Đường thẳng chấm chấm có giá trị α = 0.05 FDR.