Tuần tin khoa học 838 (08-14/05/2023)

Phân tích di truyền các gen TCS của hệ gen cây khoai lang (Ipomoea batatas L.)

Nguồn: Ruxue Huo, Yanshu Zhao, Tianxu Liu, Meng Xu, Xiaohua Wang, Ping Xu, Shengjie Dai, Xiaoyu Cui, Yonghua Han, Zhenning Liu, Zongyun Li. 2023. Genome-wide identification and expression analysis of two-component system genes in sweet potato ( Ipomoea batatas L.). Front Plant Sci.; 2023 Jan 12; 13: 1091620. doi: 10.3389/fpls.2022.1091620. 

Hình: Quan hệ tương đồng (synteny) về di truyền các gen TGS của Ipomoea batatas. Đường nối giữa những nhiễm sắc thể biểu thị cặp gen tự tái bản (duplicated gene pairs). Thanh bars định vị tại nhiễm sắc thể biểu thị chiều dài trên nhiễm sắc thể (cM). Thành viên họ gen HK(L)s, HP và RR được mô phỏng bằng các font màu khác nhau.

Hệ thống hai thành phần TCS (two-component system), bao gồm histidine kinases (HKs), histidine phosphotransfer proteins (HPs), và response regulators (RRs), có vai trò quan trọng trong điều hòa tăng trưởng và phát triển,  phản ứng với nhiều kích động khác nhau của ngoại cảnh. Các gen TCS đã và đang được người ta phân lập khá nổi tiếng trong nhiều loài cây khác nhau, trong khi đó, nghiên cứu về “genome-wide” và phân tích TCS của cây khoai lang vẫn chưa có báo cáo nào. Vì vậy, các tác giả trong nghiên cứu này tiến hành phân lập 90 thành viên của TCS bao gồm 20 HK(L)s, 11 HPs, và 59 RRs trong hệ gen cây khoai lang Ipomoea batatas. Người ta tiến hành phân tích sâu hơn kiến trúc gen của chúng, những domains bảo thủ, và tương quan di truyền huyết thống, tất cả được phân tích khá chi tiết. bên cạnh đó, các phổ biểu hiện gen tại nhiều cơ quan khác nhau cũng được phân tích, và những phản ứng với stress bởi môi trường bất lợi gây ra cũng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy 90 gen TCS này được lập bản đồ di truyền trên 15 nhiễm sắc thể  với  sự phân bố không đồng đều đáng chú ý, sự lan rộng của các gen TCS trong khoai lang góp phần vào tự tái bản có tính chất phân đoạn và song song (segmental and tandem duplications). Đạc điểm chủ yếu của các gen TCS này có những phổ biểu hiện rất khác nhau trên những cơ quan khác nhau, đặc biệt là trong 3 loại hình rễ khoai lang (rễ trên thân, rễ xơ, rễ củ khoai). Hơn nữa, hầu hết các gen TCS được kích hoạt hoặc bị ức chế bởi nghiệm thức stress phi sinh học (khô hạn, mặn, lạnh, nóng) và bởi những phytohormone ngoại sinh như abscisic acid (ABA). Thêm vào đó, hệ thống lai “yeast-two hybrid system” được người ta sử dụng để thể hiện tương tác HK-HP-RR protein-protein. IbHP1, IbHP2, IbHP4, và IbHP5 có thể tương tác với 3 HKs (IbHK1a, IbHK1b, và IbHK5), và cũng tương tác với với loại hình chủ lực B RRs (IbRR20-IbRR28), trong khi đó, không có ái lực tương tác nào diễn ra đối với IbHP3. Kết quả phân tích có thể cung cấp luận điểm mới về đặc điểm của các gen TCS, phát triển xa hơn những nghiên cứu nói về chức năng gen trong cây khoai lang.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714734/

Hệ gen chloroplast của hồ tiêu ( Piper nigrum L.) và so sánh với các loài Piper có liên quan

Nguồn: Ambika Baldev Gaikwad, Tanvi Kaila, Avantika Maurya, Ratna Kumari, Parimalan Rangan, Dhammaprakash Pandhari Wankhede, K V Bhat. 2023. The chloroplast genome of black pepper ( Piper nigrum L.) and its comparative analysis with related Piper species. Front Plant Sci.; 2023 Jan 12; 13:1095781. doi: 10.3389/fpls.2022.1095781.

Piper nigrum, là tên khoa học của cây hồ tiêu, một loài cây trồng có giá trị kinh tế cao và rất quan trọng trong môi sinh học của chi Piper. Người ta gọi noó là vua của các gia vị do nó được tiêu dùng rộng lớn trên toàn thế giới. Theo kết quả nghiên cứu này, hệ gen chloroplast của P. nigrum đã được hợp nhất từ kết quả chạy trình tự toàn hệ gen bởi tích hợp được kết quả “reads” trình tự ngắn và dài nhờ công cụ Illumina và PacBio platforms, theo thứ tự. Hệ gen chloroplast này được quan sát có tổng cộng 161.522 bp xét theo kích thước phân tử, có cấu trúc thuộc dạng “quadripartite” với một bản sao đơn khá lớn LSC (large single copy) có kích thước 89.153 bp và một bản sao đơn nhỏ SSC (small single copy) có kích thước 18.255 bp, được tách biệt ra bởi một phân tử IRs (inverted repeats), mỗi phân tử có chiều dài 27.057 bp. Xem xét tất cả gen tái bản ấy (duplicated genes), có tổng cộng 131 gen được quan sát, trong đó có 81 gen mã hóa protein, 37 tRNAs, 4 rRNAs, và một pseudogene. Riêng vùng LSC có tất cả 83 gen, vùng SSC có 13 gen, và 18 gen hiện hữu trong trong mỗi vùng IR (inverted repeats). Thêm vào đó, có 216 chỉ thị SSRs được tím thấy và 11 chỉ thị trong số đó được minh chứng thông qua kết quả khuếch đại của 12 species thuộc chi Piper. Đặc điểm của hệ gen chloroplast hồ tiêu đã được so sánh với các loài khác thuộc chi Piper. Kết quả thật hữu ích cung cấp thông tin có tính chất tiến hóa và phân tử của cây hồ tiêu, kết quả sẽ góp phần vào cải tiến di truyền và chọn giống hồ tiêu sau này.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714762/

Phân tích di truyền họ gen metallothionein trong cây sắn, phản ứng với ROS

Nguồn: Yanyan Ma, Maofu Xue, Xiaofei Zhang, Songbi Chen. 2023. Genome-wide analysis of the metallothionein gene family in cassava reveals its role in response to physiological stress through the regulation of reactive oxygen species. BMC Plant Biology; 2023 Apr 28;23(1): 227. doi: 10.1186/s12870-023-04174-2.

Hình: Cây gia hệ và so sánh trình tự DNA với trình tự tham chiếu của MTs cây sắn. (A) Cây gia hệ trên cơ sở protein MT của sắn và Arabidopsis. MeMTs (sắn) biểu thị hình tam giác đen. Vùng có màu khác nhau biểu thị loại hình khác nhau (type). (B) So sánh “deduced aa” của MeMTs với phân tử đồng dạng của nó từ các loài khác. Chữ C là Cysteine.

Sắn (Manihot esculenta Crantz) được trồng phổ biến ở nhiệt đới và cận nhiệt đới nơi ấy có stress khô hạn, nhiệt độ nóng, và những stress phi sinh học khác. Metallothionein (MT) là một nhóm  protein có tính chất liên hợp (conjugated) với khối lượng phân tử nhỏ và giàu cysteine. Những protein này đóng vai trò quan trọng trong phản ứng với stress liên quan đến sinh lý cây thông qua sự điều tiết ROS (reactive oxygen species). Tuy nhiên, chức năng sinh học của các gen MT cây sắn chưa được biết rõ.

Tổng số 10 gen MeMT đã được người ta phân lập trong hệ gen cây sắn. Protein MeMTs được chia thành 3 nhóm (Types 2 đến 4) trên cơ sở hàm lượng và phân bố của cysteine (Cys residues). MeMTs này biểu hiện tại mô đặc biệt, định vị trên 7 nhiễm sắc thể. Các promoter của MeMT có cùng phương thức điều tiết hormones và những nguyên tố phản ứng với stress (stresses responsiveness elements). Các MeMTs được điều tiết theo kiểu “up” dưới điều kiện có xử lý hydrogen peroxide (H₂O₂) và trong phản ứng với hư hỏng sinh lý sau thu hoạch PPD (post-harvest physiological deterioration). Các kết quả này rất nhất quán với các nguyên tố cis-acting trong hệ thống tự vệ tại promoters của MeMT. Bốn gen thuộc MeMTs đã được chọn lọc và được làm câm gen bằng phương pháp VIGS (virus-induced gene silencing) để đánh giá chức năng của chúng. Kết quả của dòng dắn bị “gene-silenced” này cho thấy MeMTs bao gốm chức năng “oxidative stress resistance”, như những “ROS scavengers”.

Người ta đã phân lập được 10 gen MeMT, khai thác liên quan về tiến hóa, khai thác motif bảo thủ, và biểu hiện tại mô chuyên biệt. Các phổ biểu hiện gen MeMTs này được ba loại hình stress phi sinh học (bị thương, nhiệt độ lạnh, và H₂O₂), người ta cũng phân tích được PPD. Sự biểu hiện tại mô đặc biệt và phản ứng với stress phi sinh học cho thấy vai trò rõ ràng của MT trong tăng trưởng và phát triển của cây. Biểu hiện gen câm MeMTs trong lá sắn làm giảm tính chống chịu của nó với ROS, phù hợp với vai trò của nó là “ROS scavengers”. Kết quả này chỉ ra rằng MeMTs có vai trò quan trọng trong phản ứng với stress thuộc về sinh lý thực vật cũng như  sự thích nghi của loài thông qua sự điều tiết nội dung sinh lý “ROS homeostasis” (bảo hòa ROS).

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37118665/

Phân tích metabolomic và transcriptomic trái điều chín

Nguồn: Li Zhao, Bei Zhang, Haijie Huang, Weijian Huang, Zhongrun Zhang, Qiannan Wang, Hongli Luo, Bang An. 2023. Metabolomic and transcriptomic analyses provide insights into metabolic networks during cashew fruit development and ripening. Food Chem.; 2023 Mar 15; 404(Pt B):134765. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134765.

Điều là thực phẩm phổ biến trên toàn thế giới. Phổ biểu hiện có độ phân giải cao và động thái của hệ thống metabolomes trong trái điều được biết rất ít cho đến hôm nay. Do đó, các tác giả trong nghiên cứu này tiến hành phân tích hệ thống metabolome theo thời gian của điều thông qua một phương pháp thăm dò dựa trên công cụ  UHPLC-Q-Exactive-MS, rồi phân tích trái điều thông qua phương pháp chuẩn thông qua công cụ UHPLC-QTRAP-MS/MS (MRM). Người ta tiến hành hoàn thiện kết quả phân tích tích hợp hệ thống metabolome theo thời gian (temporal metabolome) và cơ sở dữ liệu transcriptome, định tính sự tích tụ của những chất biến dưỡng đặc thù (specific metabolites), rồi xác định những thay đổi có tính chất phiên mã trong suốt giai đoạn phát triển trái điều. Đặc biệt là, người ta đã tìm thấy phosphatidylinositol species chiếm tỷ lệ nổi trội trong chất béo  không bảo hòa glycerophospholipids. Người ta xác định được một yếu tố phiên mã TF (transcription factor) là phân tử regulator đầy tiềm năng trong sinh tổng hợp phosphatidylinositol. Kết quả phân tích trái điều cho thấy các gen có liên quan đến biến dưỡng (metabolic genes) và các phân tử TFs đều có trong sinh tổng hợp ra chất đường. Tóm lại, kết quả này cung cấp thông tin hữu ích đối với mạnh lưới chất biến dưỡng trong suốt giai đoạn trái điều phát triển và tạo ra một nguồn thông tin có giá trị phục vụ nghiên cứu cải tiến giống điều mới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36444096/

Hình: Điều rất giàu chất xơ hòa tan, vitamins, khoáng và chất béo. Về dinh dưỡng, 1 hạt điều (28 g) có 13,1 g chất béo, 4,3 g protein, 9,3 g carbohydrates, 74 mg magnesium, 160 mg potassium, và vi khoáng + vitamins. Hơn nữa, chất béo của điều, có khoảng 60 % ở dạng MUFAs (monounsaturated fatty acids), và 20 % ở dạng PUFAs (polyunsaturated fatty acids) (USDA ARS).