PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN CỦ A GEN MeNF-YC ĐÁP ỨNG ĐA YẾU TỐ BẤT LỢI PHI SINH HỌC Ở CÂY SẮN (Manihot esculenta) BẰNG CÔNG CỤ TIN SINH HỌC
BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ DOI: 10.15625/vap.2020.00052 PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN CỦA GEN MeNF-YC ĐÁP ỨNG ĐA YẾU TỐ BẤT LỢI PHI SINH HỌC Ở CÂY SẮN (Manihot esculenta) BẰNG CÔNG CỤ TIN SINH HỌC Chu Đức Hà1,*, Nguyễn Thị Thu Trang1, 2, Phạm Phương Thu3, Lê Thị Ngọc Quỳnh4, Mai Đức Chung1, La Việt Hồng3, Nguyễn Văn Lộc2, Nguyễn Quốc Trung2, Phan Hữu Tôn2 Tóm tắt: Trong nghiên cứu nà y, đạ c tính lý hó a củ a tiể u phà n MeNF-YC và thông tin về mức đọ biể u hiệ n củ a cá c gen MeNF-YC đã được phân tích và là m rõ sá n (Manihot esculenta) thông qua cá c công cụ tin sinh họ c Phân tích ExPASY Protparam cho thá y họ MeNF-YC có kích thước và trọ ng lượng phân tử rá t đa dạ ng Họ MeNF-YC có tính ưa nước, giá trị điể m đả ng điệ n củ a hà u hế t protein ở ngưỡng axit Tiế p thêo, đoạ n trình tự 1000 bp vù ng promoter củ a phà n lớn cá c gen MeNF-YC có ít nhá t yế u tó điề u hò a cis- đá p ứng hormone và /hoạ c bá t lợi Đạ c biệ t, chú ng đã xá c định được mọ t só gen MeNF-YC có đá p ứng với bá t lợi phi sinh họ c dựa khai thá c dữ liệ u phiên mã Kế t quả củ a nghiên cứu nà y đã bỏ sung những dã n liệ u tin cạ y cho việ c kiể m chứng chức gên MeNF-YC liên quan đế n chó ng chịu sá n Từ khóa: Biể u hiệ n gen, nuclear factor - YC, sá n, tin sinh họ c MỞ ĐẦU Sắn (Manihot esculenta) là lấy củ quan trọng, được trồng rộng rãi thế giới, ở khu vực Nam Mỹ và rất nhiều nước Châu Á (Philippin, Ấn Độ, Indonexia, Thái Lan, Trung Quốc và Việt Nam (Morgan & Choct, 2016) Được trồng chủ yếu làm thức ăn, nguyên liệu chế biến và nhiên liệu sinh học, sắn được đánh giá trồng “tỷ đô”, đóng góp không nhỏ cho nền kinh tế ở các nước phát triển Vì vậy, phát triển ngành trồng sắn được xem là một những chiến lược quan trọng của nền nông nghiệp ở các nước Châu Á hiện Tuy nhiên, một những thách thức hiện mà ngành trồng sắn gặp phải là tác động của biến đổi khí hậu Để tiếp cận vấn đề này, chế đáp ứng và chống chịu yếu tố bất lợi ở sắn được cho là liên quan đến sự điều hòa biểu hiện của các gen chức thông qua những nhóm nhân tố phiên mã Trong đó, nuclear factor - Y (NF-Y), cấu tạo bởi tiểu phần (NF-YA, -YB và -YC) được ghi nhận là một những nhóm nhân tố phiên mã đặc trưng ở thực vật, tham gia vào đáp ứng bất lợi trồng (Chu et al., 2018) 1Việ n Di truyề n Nông nghiệ p việ n Nông nghiệ p Việ t Nam 3Đạ i họ c Sư phạ m Hà Nọ i Đạ i họ c Thủ y lợi *Email: hachu_amser@yahoo.com 2Họ c PHẦN I NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 417 Trong nghiên cứu trước đây, 14 thành viên của họ tiểu phần MeNF-YC ở sắn đã được xác định, định danh và phân tích cấu trúc gen (Chu Đức Hà nnk., 2019) Tuy vậy, chức của các gen MeNF-YC vẫn chưa được làm rõ Chính vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm làm sáng tỏ về các đặc tính bản của protein, cấu trúc vùng promoter cũng mức độ biểu hiện của gen mã hóa tiểu phần này các điều kiện bất lợi, từ đó định hướng cho các phân tích chức gen tương lai VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Trình tự protein và trình tự gen của họ tiểu phần MeNF-YC ở sắn khai thác từ nghiên cứu trước (Chu Đức Hà nnk., 2019) Dữ liệu hệ gen, hệ protein của giống sắn AM560-2 được khai thác NCBI (Bredeson et al., 2016) 2.2 Phương pháp nghiên cứu - Phân tích đặc tính bản của protein: Các chỉ số lý hóa của protein được khai thác Expasy Protparam (Gasteiger et al., 2003) Trong đó, đặc điểm cấu trúc, bao gồm kích thước và trọng lượng phân tử, và một số đặc tính lý hóa, bao gồm điểm đẳng điện, chỉ số bất ổn định, chỉ số phân nhánh, độ ưa nước trung bình của protein được làm rõ theo mô tả nghiên cứu trước (Chu et al., 2018) - Truy xuất vùng promoter của gen: Đoạn trình tự 1000 bp ở vùng thượng nguồn của MeNF-YC, bắt đầu tính từ vị trí bộ ba mở đầu ATG được thu thập bằng cách BlastN đoạn gen mã hóa NF-YC vào hệ gen của sắn (Bredeson et al., 2016) Kết quả được sàng lọc bằng sự có mặt của hộp CAAT và TATA - Dự đoán yếu tố điều hòa cis-: Vùng promoter của gen được truy vấn PlantCARE (Lescot et al., 2002) để xác định các yếu tố điều hòa cis-, bao gồm đoạn lặp giàu TC (G/ATTTTCTTA/CC/A) liên quan đến khả phòng thủ, LTRE (CCGAAA) đáp ứng lạnh, HSE (AAAAAATTTC) đáp ứng nóng, CE3 (CACGCG) đáp ứng hạn, ABRE (C/TACGTG) và CE3 (CACGCG) đáp ứng axit abscisic, yếu tố TGA (AACGAC) và yếu tố AuxRR đáp ứng auxin, TGACG và CGTCA motif đáp ứng axit jasmonic, ERE (ATTTCAAA) đáp ứng ethylene, GARE motif (TCTGTTG), P Box (GCCTTTTGAGT) và TATC Box đáp ứng gibberellin, và yếu tố TCA (C/GAGAAA/GAG/GG/TA) đáp ứng axit salicylic (Chu et al., 2018) - Khai thác ngân hàng biểu hiện gen: Thông tin về biểu hiện gen MeNF-YC ở các điều kiện khác được khai thác GEO NCBI Trong đó, chúng khai thác dữ liệu GSE89971 (thiếu hụt dinh dưỡng NPK mẫu FEC), GSE93098 (xử lý PEG 6000 ở mẫu rễ, lá đỉnh, lá trung tâm, lá trưởng thành), GSE98537 (xử lý hạn ở mẫu lá) và GSE84715 (xử lý mặn ở mẫu rễ, lá) Dữ liệu được xử lý và thể hiện bằng bảng nhiệt màu thông qua ngôn ngữ R (Liao et al., 2019) Theo đó, mức độ biểu hiện của gen được xác định theo giá trị Fold-change (FC), gen có đáp ứng mạnh được định nghĩa là gen có giá trị FC ≥ 1,5 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 418 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích đặc tính lý hóa của họ tiểu phần MeNF-YC ở sắn Để khai thác đặc tính lý hóa của MeNF-YC ở sắn, trình tự protein tương ứng đã được sử dụng để phân tích Expasy Protparam (Gasteiger et al., 2003) Theo đó, MeNF-YC01 là tiểu phần có kích thước nhỏ nhất (117 axit amin, tương ứng 12,76 kDa), MeNF-YC10 có chiều dài lớn nhất (311 axit amin, tương ứng 34,01 kDa) (Bảng 1) Phân tích giá trị điểm đẳng điện cho thấy họ NF-YC ở sắn chủ yếu ở khoảng axit (7) (Bảng 1) Bảng Đặc tính lý hóa của tiểu phần MeNF-YC ở sắn NF-YC L mW pI II AI GRAVY MeNF-YC01 117 12,76 8,85 46,35 88,38 -0,16 MeNF-YC02 201 23,36 5,74 60,69 92,14 -0,36 MeNF-YC03 281 31,29 4,85 41,52 74,89 -0,73 MeNF-YC04 254 28,22 5,62 66,09 73,86 -0,52 MeNF-YC05 227 25,90 9,28 66,01 55,86 -1,23 MeNF-YC06 303 33,43 5,16 41,76 64,42 -0,82 MeNF-YC07 229 24,90 5,16 58,84 70,83 -0,44 MeNF-YC08 265 29,63 5,34 68,55 66,34 -0,52 MeNF-YC09 259 28,91 5,91 55,51 69,00 -0,58 MeNF-YC10 311 34,01 5,07 54,91 69,77 -0,74 MeNF-YC11 139 15,69 9,93 54,38 84,17 -0,58 MeNF-YC12 266 29,89 5,63 64,69 64,21 -0,61 MeNF-YC13 246 27,07 5,32 58,73 72,64 -0,44 MeNF-YC14 257 28,71 5,97 68,11 72,61 -0,58 Ghi chú: L - kích thước (aa), mW - trọng lượng phân tử (kDa), pI - điểm đẳng điện, II - chỉ số bất ổn định, AI - chỉ số phân nhánh, GRAVY - độ ưa nước trung bình Chỉ số bất ổn định của tất cả thành viên của họ NF-YC ở sắn đều > 40 (Bảng 1), cho thấy các tiểu phần MeNF-YC có cấu trúc không bền vững điều kiện in vitro Trong nghiên cứu trước đây, một số thành viên của tiểu phần NF-YC ở đậu gà (Cicer arietinum) đã được dự đoán sau được tạo thành từ quá trình dịch mã sẽ kết hợp với tiểu phần NF-YA và NF-YB để tạo thành phức hợp NF-Y (Chu Đức Hà nnk., 2020), từ đó tham gia vào chế đáp ứng bất lợi (như hạn) (Chu et al., 2018) Điều này cho thấy MeNF-YC cũng không tồn tại độc lập và bền vững mà tương tác với tiểu phần MeNF-YA và MeNF-YB để hình thành phân tử MeNF-Y hoàn chỉnh, tham gia vào điều hòa sự biểu hiện của gen chức Ngoài ra, chỉ số phân nhánh của MeNF-YC trải dài từ 55,86 (MeNFYC05) đến 92,14 (MeNF-YC02) (Bảng 1) Tất cả MeNF-YC đều có độ ưa nước trung bình < 0, chứng tỏ tiểu phần NF-YC ở sắn có tính ưa nước, tương tự ở các loài thực vật khác PHẦN I NGHIÊN CỨU CƠ BẢN TRONG SINH HỌC 419 3.2 Dự đoán yếu tố điều hòa cis- vùng promoter của gen MeNF-YC ở sắn Sự có mặt của yếu tố điều hòa cis- có thể cung cấp những dẫn liệu khoa học tin cậy cho việc dự đoán chức gen Trong nghiên cứu này, các yếu tố điều hòa cis- liên quan đến (i) tín hiệu hormone, auxin (yếu tố TGA, yếu tố AuxRR), axit abscisic (CE3, ABRE), axit methyl jasmonic (TGACG motif, CGTCA motif), ethylene (ERE), gibberellin (GARE motif, P Box, TATC Box) và axit salicylic (yếu tố TCA), (ii) đáp ứng bất lợi, nhiệt độ cao (HSE), hạn (MBS), lạnh (LTRE) và liên quan đến (iii) chế phòng thủ (đoạn lặp giàu TC) (Hình 1) Hình Sự phân bố của các yếu tố điều hòa cis- promoter của MeNF-YC Kết quả cho thấy các nhóm yếu tố cis- phân bố rất đa dạng vùng promoter của các gen mã hóa tiểu phần NF-YC, gợi ý rằng MeNF-YC có thể tham gia vào quá trình điều hòa thông qua tín hiệu hormone và chế đáp ứng bất lợi Phần lớn các gen MeNF-YC (13 tổng số 14) chứa ít nhất một nhóm yếu tố điều hòa cis- liên quan đến tín hiệu hormone (Hình 1) Cụ thể, gen MeNF-YC08 chứa nhiều nhóm yếu tố cis- nhất, bao gồm ABRE, yếu tố AuxRR, CGTCA motif, P Box và yếu tố TCA, cho thấy gen này có thể tham gia vào quá trình điều hòa thông qua các đường tín hiệu phụ thuộc vào axit abscisic, auxin, axit jasmonic, gibberellin và axit salicylic Vùng promoter của gen MeNFYC10 chứa các yếu tố cis- liên quan đến hormone, MeNF-YC01, -YC04, -YC05 và -YC14 chứa nhóm yếu tố điều hòa liên quan đến hormone (Hình 1) Tiếp theo, kết quả cũng ghi nhận sự xuất hiện của nhiều nhóm yếu tố cis- liên quan đến đáp ứng bất lợi vùng promoter của họ gen mã hóa NF-YC ở sắn Cụ thể, ít nhất yếu tố cis- liên quan đến đáp ứng hạn (MBS), nóng (HSE), lạnh (LTRE) hoặc phòng thủ (đoạn lặp giàu TC) phân bố vùng promotern của 12 tổng số 16 gen MeNF-YC (Hình 1) Trong đó, MeNF-YC01, -YC08 và -YC10 chứa cả đoạn lặp giàu TC và MBS (Hình 1), chứng tỏ các gen này có thể liên quan đến đáp ứng hạn, gen, MeNFYC02, -YC03, -YC04 chỉ chứa yếu tố HSE (Hình 1), cho thấy nhóm gen này có thể tham gia vào chế chống chịu nóng Bốn gen, bao gồm MeNF-YC05, -YC06, -YC07 và -YC12 không chứa nhóm yếu tố điều hòa cis- liên quan đến đáp ứng bất lợi 3.3 Khai thác dữ liệu biểu hiện gen MeNF-YC các điều kiện xử lý bất lợi Để tìm hiểu về biểu hiệu của các gen MeNF-YC, các dữ liệu phiên mã các điều kiện bất lợi phi sinh học đã được khai thác và phân tích Trong điều kiện thiếu hụt NPK 420 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM (GSE89971), hầu hết các gen MeNF-YC đều biểu hiện yếu (FC