Tuần tin khoa học 825 (06-12/02/2023)

Cơ chế chống chịu mặn của cây mô hình Arabidopsis thaliana

Nguồn: Baiying Li, Fangfang Niu, Yonglun Zeng, Man Kei Tse, Cesi Deng, Liu Hong, Shengyu Gao, Sze Wan Lo, Wenhan Cao, Shuxian Huang, Yasin Dagdas, and Liwen Jiang. 2023. Ufmylation reconciles salt stress-induced unfolded protein responses via ER-phagy in Arabidopsis. PNAS January 25, 2023; 120 (5) e2208351120

Thực vật chuyển động hệ thống màng nội sinh (endomembrane system) để hồi phục lại hoạt động sinh lý bảo hòa chất (homeostasis) khi chúng bị kích động bởi stresse. Thông qua chức năng của “ufmylation” trong sự kiện stress ER và sự kiện “autophagy” (tự lập trình gây chết) đã được mô tả ở động vật có vú, nhiệm vụ chi tiết của chúng trong phát triển thực vật và phản ứng với stress vẫn còn chưa rõ ràng. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta xác định được Ufl1 là một tác nhân tương tác ATG8 (interactor) trong cây mô hình Arabidopsis và chứng minh được rằng Ufl1 duy trì hoạt động sinh lý ER homeostasis trong điều kiện có stress mặn xảy ra thông qua điều tiết ER-phagy bởi gắn kết có tính chất cơ chế học với sự kiện vận hành hệ thống “autophagy” (ATG). Nghiên cứu này mở ra một cách rõ ràng hơn về các chức năng có tính chất “pleiotropic” (gen đa tính trạng) của hệ thống phiên mã có thuật ngữ khoa học là “ufmylation cascade” của thực vật khi bị stress phi sinh học và xây dựng luận điểm “cross-talk” giữa “ER stress”, stress mặn, và “autophagy”.

Trong thực vật, “endomembrane system” được điều tiết một chút khi khi phản ứng với stress do ngoại cảnh tác động để duy trì hoạt động sinh lý tế bào “homeostasis”. Những “autophagosomes”, cơ quan có màng kép hình thành nên  hiện tượng lấy đi dưỡng chất hoặc kích thích stress, phân giải vật chất trong dịch bào chất phục vụ cho yêu cầu chuyển hóa thành dưỡng chất (nutrient turnover). Thông qua các stress phi sinh học đã từng được báo cáo trước đây để kích thích cây xanh thực hiện “autophagy” (tự chết), một vài thụ thể (receptors) hoặc “regulators” phục vụ cho “autophagy” có tính chất chọn lọc đã được người ta định tính trong những stress hết sức chuyên tính. Ở đây, người ta đã áp dụng phương pháp “immunoprecipitation” theo sau đó là phương pháp sắc ký khối phổ luân phiên, sử dụng “marker protein ATG8” trong “autophagosome” làm bẫy. Người ta xác định được E3 ligase trong hệ thống “ufmylation” Ufl1 là một bona fide ATG8 interactor trong điều kiện có stress mặn xảy ra. Đáng chú ý là, những thành phần chủ chốt trong phiên mã “ufmylation cascade”, Ufl1 và Ufm1, tương tác với những phức protein “autophagy kinase” như ATG1 và ATG6. Phân tích tế bào và phân tích di truyền cho thấy Ufl1 rất quan trọng của phagy tại mạng võng nội chất (endoplasmic reticulum (ER)-phagy) trong điều kiện có stress mặn xảy ra. Đột biến kiểu “loss-of-function” của Ufl1 có vai trò trong kiểu hình siêu nhạy cảm với stress mặn và hình thái bất bình thường của ER. Những phản ứng với stress của mạng võng nội chất kéo dài được tìm thấy trong đột biến ufl1 mà bản sao hình (phenocopy) phản ánh chức năng khác thường của autophagy trong đột biến atg5. Một cách nhất quán về kết quả này, biểu hiện của các thành phân trong “ufmylation cascade” được điều tiết theo kiểu “up” bởi stress mặn. Tóm lại, kết qảu nghiên cứu chứng minh được vai trò của ufmylation trong điều hòa sinh lý tế bào “ER homeostasis” khi stress mặn xảy ra thông qua hiện tượng “ER-phagy”.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2208351120

Phổ biểu hiện protein trong tế bào chất và ty thể bộ của dịch châu chấu bùng phát

Nguồn: Jing Li, Liya Wei, Yongsheng Wang, Haikang Zhang, Pengcheng Yang, Zhangwu Zhao and Le Kang. 2023. Cytosolic and mitochondrial ribosomal proteins mediate the locust phase transition via divergence of translational profiles. PNAS January 26, 2023; 120 (5) e2216851120.

https://doi.org/10.1073/pnas.2216851120

Sự bùng phát dịch châu chấu (locust plagues) được cấu thành bởi pha dịch chuyển (phase transition) từ châu chấu đơn đàn đến châu chấu bầy đàn (gregarious locusts). Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng sự điều tiết dịch mã và hậu dịch mã xảy ra trong thay đổi phase. Tuy nhiên, sự điều tiết dịch mã trong chuyển đàn châu chấu (phase transition) vẫn chưa rõ ràng. Ở đây, người ta đã tìm thấy các phổ biểu hiện mang tính chất mềm mại, linh hoạt trong “polysome” giữa châu chấu đơn độc và châu chấu bầy đàn. Một sự đa dạng với những protein ở ri bô thể thuộc tế bào chất và protein trong ty thể bộ hình thành nên tập tính (behavioral features) của châu chấu bầy đàn (gregarious) và châu chấu đơn độc (solitary). Phát hiện này chỉ ra rằng mật số quần thể châu chấu, được xem như một tín hiệu môi trường, có thể bắt đầu nội dung điều tiết dịch mã để có được tính chất mềm dẽo linh hoạt về kiểu hình của côn trùng. Manh mối quan trọng này phục vụ cho nghiên cứu mục tiêu để kiểm soát dịch hại châu chấu cũng được đề cập. Hiểu biết được sự điều tiết biến dưỡng năng lượng ở mức độ dịch mã trong loài sinh vật eukaryotes được giới thiệu khá tốt.

Sự dịch chuyển từ pha “solitary” đến pha “gregarious” của châu chấu rất quan trọng để bùng nổ dịch hại châu chấu tại một vùng nào đó, chúng đe dọa năng suất nông sản và an ninh lương thực của loài người. Nghiên cứu cơ chế điều tiết sự dịch chuyển pha của châu chấu như vậy được tập trung ở mức độ dịch mã và sau dịch mã. Tuy nhiên, điều tiết sự dịch mã của thay đổi pha chưa được khai thác nhiều. Ở đây, nhóm tác giả đã cho thấy một phần lệ thuộc vào pha với mức độ dịch mã, mà ở đó, chúng biểu hiện nhiều phổ “polysome” rất khác nhau giữa châu chấu bầy đàn và châu chấu đơn độc. Châu chấu bầy đàn (gregarious locusts) biểu hiện sự gia tăng đáng kể tại vị trí 60S và polyribosomes, trong khi châu chấu đơn độc (solitary locusts) sở hữu những đỉnh cao hơn (higher peaks) của “monoribosome” và một “halfmer” hết sức đặc biệt. Các phổ biểu hiện polysome, kiểu hình phân tử, phản ứng với thay đổi của mật độ quần thể châu chấu. Trong châu chấu bầy đàn, 10 gen có trong lộ trình ri bô thể ở tế bào chất đã biểu hiện sự tăng lên kết quả dịch mã (translational efficiency: TE). Trong châu chấu đơn độc, 5 gen của lộ trình ri bô thể ty thể bộ biểu thị TE tăng lên. Biểu thị cao của protein 7 trong “đại ri bô thể” ở mức độ dịch mã làm tăng cường sự tích tụ của “free 60S ribosomal subunit” của quần thể châu chấu bầy đàn, trong khi đó, châu chấu đơn độc sử dụng protein 18c nhỏ hơn trong thể ri bô để kích thích sự đồng điệu hoạt động của ri bô thể ty thể bộ (mitochondrial ribosomes), làm ra kết quả đa dạng của phổ biểu hiện dịch mã (translational profiles) và sự dịch chuyển tập tính châu chấu. Nghiên cứu cho thấy cơ chế điều tiết dịch mã của hiện tượng dịch chuyển pha của châu chấu, trong đó, chúng khai thác các lộ trình hoạt động ribosome hết sức đa dạng nhằm thích ứng với thay đổi mật độ dân số bầy đàn.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2216851120

Chỉnh sửa gen lặn xa-13 kháng bệnh cháy bạc lá lúa

Nguồn: Wulan Arum Hardiyani, Ali Wafa, Wahyu Indra Duwi Fanata, Hardian Susilo Addy. 2023. Design and construction of single guide RNA for CRISPR/Cas9 system based on the xa13 resistance gene in some varieties of rice (Oryza sativa). Journal of Tropical Plant Pests and Diseases; Vol. 23 No. 1 (2023): MARCH

Gen lặn xa13 điều khiển tính kháng với tác nhân vi khuẩn gây bệnh bạc là lúa Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) được tìm thấy trong nhiều giống lúa. Tăng cường hoạt động của gen này sẽ kích hoạt được sự hình thành nên sucrose như một dưỡng chất cung cấp cho vi khuẩn Xoo để chúng phát triển trong cây lúa. Sự đột phá của gen lặn này biểu hiện trong cây có thể ảnh hưởng thành tác động ngược của gen ấy, gần đây người ta có thể sáng tạo ra chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR-Cas9, sử dụng CRISPR-associated protein-9 (CRISPR/Cas9); hệ thống rất cần gRNA để ghi nhận được đích đến là trình tự mục tiêu. Nghiên cứu này nhắm đến việc thiết kế và thành lập vector mang gRNA-targeting xa13 trong cây lúa thông qua chuyển nạp trực tiếp bằng súng bắn gen. CHOPCHOP được người ta sử dụng để phát sinh ra các ứng cử viên gRNA tùy theo trình tự gen đích. Hai ứng cử viên của gRNA mà đích đến là xa13 đã được lựa chọn trên cơ sở phân tích  dữ liệu tin sinh học. Mỗi ứng cử viên của gRNA có 20 nucleotides (nt) của trình tự gen đích, tại vùng cận trên 3 nt của trình tự protospacer adjacent motif (PAM) (5’-NGG) đích đến 2 exons trong trình tự gen xa13. Phân tử gRNA1 này sẽ nhắm đích exon 1 và gRNA2 nhắm đích exon 2, với hiệu quả đạt 52.51% và 44.63%, theo thứ tự. Cơ sở dữ liệu cho thấy hàm lượng GC content của tất cả gRNA ứng cử viên biến động trong khoảng 55–70%, không có đột biến không chủ đích (target-off) trên toàn bộ hệ gen cây lúa. Chuyển nạp và xác định kết quả dựa trên phương pháp định tính hệ gen và định tính sinh lý của những transformants, chúng được xác định kết quả thiết kế vector như vậy là thành công.

Xem http://jhpttropika.fp.unila.ac.id/index.php/jhpttropika/article/view/660

Hình 1. Thiết kế gRNAs nhắm đích đến là gen xa13 trong cây lúa.

Chức năng của MePAL6 của hệ gen cây sắn trong quản lý nhện Tetranychus urticae

Nguồn: Xiaowen Yao, Xiao Liang, Qing Chen, Ying Liu, Chunling Wu, Mufeng Wu, Jun Shui, Yang Qiao, Yao Zhang, Yue Geng. 2023. MePAL6 regulates lignin accumulation to shape cassava resistance against two-spotted spider mite. Front Plant Sci.; 2023 Jan 6; 13:1067695. doi: 10.3389/fpls.2022.1067695. 

Hình: Tetranychus urticae (nhện TSSM).

Nhện ký sinh trên lá sắn có tên tiếng Anh là “two-spotted spider mite” (TSSM), tên khoa học là Tetranychus urticae là đối tượng gây hại nghiêm trọng trên sản xuất sắn của Trung Quốc. Lignin được xem như là rào cản quan trọng bảo vệ cây chống lại sâu bệnh hại, nhiều gen được ghi nhận có liên quan đến sinh tổng hợp lignin, tuy nhiên, làm thế nào các gen này hình thành nên kết quả tích hợp lignin trong cây sắn và làm ra tính kháng nhện TSSM vẫn chưa được hiểu rõ.

Muốn có kiến thức này, người ta tiến hiền khảo sát tại vùng đa g có dịch hại TSSM, các gen liên quan đến sinh tổng hợp lignin được thao tác để quan sát biểu hiện gen thôn qua kết quả phân tích “expression pattern analysis” theo sau đó là phương pháp xác định họ gen, và các gen chủ lực với sự kích hoạt đáng kể phục vụ giải thích chức năng gen.

Hầu hết các gen trong sinh tổng hợp lignin đề được điều tiết theo kiểu “up” trong khi giống sắn kháng nhện cho nhiễm nhân tạo TSSM, đáng chú ý là, gen MePAL có sự kích kháng mạnh mẽ nhất trong tất cả gen được tìm thấy. Do vậy, nhóm tác giả này tập trung vào xem xét chức năng của MePAL khi cây sắn bị tấn công bởi nhện TSSM. Họ gen này được xác định có tất cả 6 thành viên MePAL trong genome cây sắn, kết quả phân tích di truyền huyết thống (cây gia hệ), kết quả tự tái bản gen (gene duplication), dự đoán “cis-elements” và “motif” đặc hữu có tính chất bảo thủ đề khẳng định được rằng những gen này có thể tham gia vào phản ứng với stress sinh học của cây sắn. Phổ biểu hiện trong phiên mã của 6 genMePAL trong giống sắn kháng nhện TSSM – giống SC9, chỉ ra rằng nó được điều tiết theo kiểu “up”. Để làm rõ hơn tương quan giữa thể hiện gen MePAL với tính kháng TSSM, gen có kích thích tính kháng mạnh nhất MePAL6 được người ta thao tác kỹ thuật làm câm gen bằng virus-induced gene silencing (VIGS), người ta thấy rằng: kết quả làm câm gen MePAL6 trong giống sắn SC9 không chỉ ức chế đồng thời sự biểu hiện của những gen khác gắn với sinh tổng hợp lignin, ví dụ như 4-coumarate--CoA ligase (4CL), hydroxycinnamoyltransferase (HCT) và cinnamoyl-CoA reductase (CCR), mà còn làm cho hàm lượng lignin giảm hẳn. Quan trọng là, sự ức chế gen MePAL6 trong giống sắn SC9 có thể dẫn đến kết quả phá hủy toàn bộ tính kháng với nhện TSSM.

Nghiên cứu này đã xác định chính xác gen MePAL6 là gen đích giúp cây sắn kháng được sự xâm nhiễm của nhện TSSM, kết quả này có thể được xem như gen chỉ thị rất đáng tin cậy để đánh giá tính kháng của cây sắn với côn trùng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36684737/

Hình: Kết quả làm câm gen kháng MePAL6 đối với nhện TSSM.