Phân tích mức độ biểu hiện đặc thù của các gen mã hóa nhân tố phiên mã ahytpp tại các bộ phận chính của cây lạc (arachis hypogaea)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN ĐẶC THÙ CỦA CÁC GEN MÃ HOÁ NHÂN TỐ PHIÊN MÃ AHYTPP TẠI CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA CÂY LẠC (Arachis hypogaea) HÀ NỘI – 2023 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN ĐẶC THÙ CỦA CÁC GEN MÃ HOÁ NHÂN TỐ PHIÊN MÃ AHYTPP TẠI CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA CÂY LẠC (Arachis hypogaea) Ngƣời thực : Nguyễn Toàn Thắng Khóa : 63 Ngành : Cơng nghệ Sinh học Ngƣời hƣớng dẫn : Ths Tống Văn Hải TS Chu Đức Hà HÀ NỘI – 2023 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan thực hiên trực tiếp nghiên cứu khóa luận Mọi kết thu nguyên không chỉnh sửa chép từ nghiên cứu khác Các số liệu, kết khóa luận chưa cơng bố Tơi xin hồn tồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan trên! Hà nội, ngày tháng năm Sinh viên thực Nguyễn Toàn Thắng i LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực khóa luận tốt nghiệp, ngồi cố gắng th n nhận r t nhiều gi p đ h trợ, nh n dịp xin t l ng biết n vô c ng s u sắc tới cô Ths Tống V n Hải - Bộ môn Sinh học ph n tử Công nghệ sinh học ứng dụng, Khoa Công nghệ sinh học, Học viện Nông Nghiệp Việt Nam thầy TS Chu ức Hà - Khoa Công nghệ Nông nghiệp, học Công nghệ, i i học Quốc gia Hà Nội hướng d n tận tình, chu đáo bên c nh kiến thức xã hội b ch khác Bên c nh đó, tơi xin ch n cảm n gi p đ quý báu, nhiệt tình tập th cán thuộc mơn Sinh học ph n tử - Viện Di truyền Nông nghiệp, n i tơi tiến hành khóa luận tốt nghiệp Cuối c ng, tơi xin cảm n gi p đ thầy cô Bộ môn Sinh học ph n tử Công nghệ sinh học ứng dụng - Khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam Hà Nội, ngày tháng năm Sinh viên thực Nguyễn Toàn Thắng ii MỤC LỤC LỜI CAM OAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC HÌNH vi TÓM TẮT vii PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 T nh c p thiết đề tài PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 T ng quan c y l c 2.2 Lịch sử nguồn gốc xu t xứ ph n bố c y l c 2.3 ặc m hình thái 2.4 Vai tr l c 2.5 Tình hình sản xu t ph n bố c y l c 2.5.1 Tình hình sản xu t ph n bố c y l c giới 2.5.2 Tình hình sản xu t ph n bố c y l c t i nước ta 2.6 Một vài nét họ TPP vai tr họ TPP trình sinh trưởng phát tri n thực vật 2.6.1 Một vài nét họ TPP 2.6.2 Quá trình chuy n hoá Cacbohydrate thưc vật TPP 2.6.3 Vai tr TPP trình sinh trưởng phát tri n thực vật 10 2.7 Tình hình nghiên cứu TPP Việt Nam giới 10 2.7.1 Tình hình nghiên cứu giới 10 2.7.2 Tình hình nghiên cứu Việt nam 11 CHƢƠNG NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 iii 2.1 Nội dung nghiên cứu 13 2.2 Vật liệu nghiên cứu phư ng pháp ghiên cứu 13 2.2.1 Vật liệu nghiên cứu 13 2.2.2 Phư ng pháp nghiên cứu 13 PHẦN III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 18 3.1 Kết ph n lo i định danh gene thuộc họ AhyTPP 18 3.2.a Kết ph n t ch đặc t nh lý hóa AhyTPP l c 20 3.2.b Dự đoán cư tr nội bào họ AhyTPP l c 23 3.3 X y dựng s đồ hình c y họ AhyTPP l c 24 3.4 Ph n t ch bi u đặc th nhóm gen mã hóa AhyTPP phận ch nh c y l c 26 PHẦN IV KẾT LUẬN 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 iv DANH MỤC BẢNG Bảng Kết định danh ch giải họ AhyTPP c y l c 18 Bảng Chỉ số đặc t nh lý hoá gen TPP l c 21 Bảng Dự đoán vị tr cư tr nội bào họ AhyTPP l c 23 v DANH MỤC HÌNH Hình ặc m hình thái c y l c Hình Thành phần dinh dư ng có 100g l c Hình Quá trình sinh t ng hợp TREHALOSE vai tr q trình chuy n hố CARBOHYDRATE Hình Phư ng pháp ph n lo i tìm kiếm thành viên thuộc họ TPP c y l c 14 Hình Phư ng pháp định danh ch giải họ AhyTPP công cụ BlastP 14 Hình Phư ng pháp ph n t ch đặc t nh lý hoá AhyTPP l c 15 Hình Phư ng pháp ph n t ch cư tr nội bào 16 Hình Phư ng pháp x y dựng s đồ hình c y họ AhyTPP l c 17 Hình Số lượng gene TPP số loài thực vật 20 Hình 10 ặc t nh gDNA họ AhyTPP l c 22 Hình 11 S đồ hình c y họ AhyTPP l c 25 Hình 12 Bi u nhóm gen mã hóa TPP c quan/bộ phận ch nh c y l c dựa vào liệu microarray PeanutBase GEO NCBI 26 vi TÓM TẮT Trehalose-6-phosphate phosphatase (TPP) enzyme x c tác cho trình sinh t ng hợp trehalose, d ng disaccharide quan trọng liên quan đến sinh trưởng phát tri n thực vật Trong nghiên cứu này, thơng tin nhóm TPP ph n t ch đối tượng c y l c (Arachis hypogaea) Cụ th , t ng số 17 thành viên nhóm AhyTPP xác định hệ tham chiếu hệ gen c y l c Ph n t ch đặc t nh lý hố thành viên nhóm AhyTPP th y gene có t nh axit trung t nh, ưa nước ề tài đưa vị tr dự đốn thành viên thuộc nhóm gen AhyTPP t i tế bào ch t Tiếp theo đề tài x y đựng hình c y họ AhyTPP l c Kết cho th y cặp gen lặp nhóm gen ArahyTPP có xu hướng bi u đặc th t nh t c quan/bộ phận ch nh trình sinh trưởng phát tri n c y l c Tóm l i, kết nghiên cứu cung c p d n luận quan trọng việc đề xu t gen ứng viên phục vụ ph n t ch chức n ng gen vii PHẦN I: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài L c (Arachis hypogaea) c y trồng quan trọng ngành nông nghiệp, ch ng thường trồng v ng nhiệt đới cận nhiệt đới, c y l c trồng với nhiều mục đ ch khác làm lư ng thực, nguyên liệu cho ch n nuôi sản xu t, sản xu t nguồn nhiên liệu sinh học cải t o đ t,….Trong tiếng anh l c có r t nhiều tên gọi peanut, goober, pindar,…tên khoa học l c Arachis hypogaea thuộc chi Arachis, họ đậu (Fabaceae), lớp Hai mầm (Dicotylendonae), ngành Ngọc Lan (Magnoliophyta) giới thực vật (Plantae) Ở Việt Nam, l c lo i c y ngắn ngày trồng ph biến nhiều địa phư ng, có vai tr r t t ch cực cải t o đ t, t ng thu nhập cho người d n L c c y họ đậu th ch nghi nhiều với môi trường sinh thái, ngắn ngày dễ trồng, thường sử dụng với nhiều mục đ ch như: làm thực phẩm, thức n ch n nuôi, ép dầu Biện pháp lu n canh xen canh l c đ t canh tác xem giải pháp th n thiện với môi trường, đồng thời mang l i giá trị kinh tế cho nông hộ Tuy nhiên, sinh trưởng, phát tri n, n ng su t ch t lượng c y l c nước ta chịu bị ảnh hưởng tiêu cực yếu tố b t lợi phi sinh học g y tình tr ng biến đ i kh hậu Do đó, làm rõ c chế đáp ứng với thay đ i điều kiện ngo i cảnh c y l c thơng qua q trình điều h a bi u gen quan t m Trong trình sinh trưởng phát tri n thực vật, nh n tố phiên mã có vai tr quan trọng việc điều chỉnh trình sinh trưởng phát tri n chống l i tác động x u môi trường Cho đến nay, hầu hết gen thuộc hệ gene AhyTPP xác nhận mặt chức n ng từ thực vật Ch ng có ảnh hưởng quan trọng đến vệc bi u phận c y l c Ch nh em lựa chọn đề tài: “Phân tích mức độ biểu gen mã hoá nhân tố phiên mã AhyTPP phận lạc nhằm Qua đ y cho th y thành viên họ TPP m i lồi có khác r t nhiều k ch thước đặc t nh lý hoá khác th đa d ng m i loài q trình tiến hố th ch nghi với mơi trường sống 3.2.b Dự đoán cƣ trú nội bào họ AhyTPP lạc Dự đoán nội bào phư ng pháp cho ta dự đoán vị trị gene AhyTPP có c y l c thông qua chu i protein thu thập trước thực ch ng ta cần chu i độ dài đầy đủ protein d ng FASTA sau thực truy v n phần mềm YLoc (https://abi-services.cs.unituebingen.de/yloc/webloc.cgi) Kết truy v n bi u thị bảng sau: Bảng Dự đốn vị trí cƣ trú nội bào họ AhyTPP lạc STT Tên Vị tr dự đoán AhyTPP01 Tế bào ch t 0.60 AhyTPP02 Tế bào ch t 0.96 AhyTPP03 Tế bào ch t 0.95 AhyTPP04 Tế bào ch t 0.92 AhyTPP05 Tế bào ch t 0.95 AhyTPP06 Tế bào ch t 0.79 AhyTPP07 Tế bào ch t 0.99 AhyTPP08 Tế bào ch t 0.97 AhyTPP09 Tế bào ch t 0.99 10 AhyTPP10 Tế bào ch t 0.60 11 AhyTPP11 Tế bào ch t 0.98 12 AhyTPP12 Tế bào ch t 0.93 13 AhyTPP13 Tế bào ch t 0.94 14 AhyTPP14 Tế bào ch t 0.72 15 AhyTPP15 Tế bào ch t 0.79 16 AhyTPP16 Tế bào ch t 0.98 17 AhyTPP17 Tế bào ch t 0.98 23 ộ tin cậy Qua bảng ta có th th y t t protein thuộc họ AhyTPP l c ph n bố t i tế bào ch t tế bào với mức độ tin cậy trung bình Trong có 8/17 protein có th khẳng định vị tr ph n bố t i tế bào ch t tế bào với mức độ tin cậy từ 0.95-0.99 Có 5/17 protein có dự đốn vị tr t i tế bào ch t với mức độ tin cậy trung bình từ 0.6-0.79 Ngồi có 4/17 protein có dự đoán vị tr với mức độ tin cậy cao từ 0.92-0.95 Khi so sánh kết với nghiên cứu trước đ y TPP loài thực vật khác c y l a (Oryza sativa) (Liang et al, 2008), l a mì (Triticum aestivum L) (Islam et al, 2021), c y họ Populus (Yuhan G et al., 2021) … ta có th th y hầu hết protein ph n bố tập trung c ng vị tr tế bào ch t, số loài thực vật TPP c n tìm th y lục l p Thông qua phư ng pháp nghiên cứu ph n t ch đặc t nh lý hoá thành viên họ TPP phư ng pháp dự đoán cư tr nội bào protein TPP l c d n liệu quan trọng việc định hướng nghiên cứu họ AhyTPP 3.3 ây dựng sơ đồ hình họ AhyTPP lạc có th xác định ta c u tr c mối quan hệ tiến hóa AhyTPP, nghiên cứu x y dựng c y ph n lo i dựa liên kết trình tự có độ dài đầy đủ 17 protein AhyTPP Trình tự protein 17 AhyTPP ph n t ch thuật toán Neighbor-Joining (giá trị bootstrap = 1000) phần mềm MEGA 11 (Tamura et al., 2021) Từ kết s đồ c y phát sinh loài thành viên AhyTPP có th ph n thành hai nhóm ch nh (I, II) ph n nhóm phụ Cụ th nhóm I có protein t ng số 17 protein chiếm 17.64% t ng số thành viên bao gồm AhyTPP05, AhyTPP07, AhyTPP16 Nhóm II có 14 protein t ng số 17 protein chiếm 82.36% t ng số thành viên, chia thành ph n nhóm nh bao gồm 2A (AhyTPP17, AhyTPP08), nhóm 2B (AhyTPP11, AhyTPP02), nhóm 2C 24 (AhyTPP12, AhyTPP03), nhóm 2D (AhyTPP01, AhyTPP10), nhóm 2E (AhyTPP06, AhyTPP09, AhyTPP15), nhóm 2G (AhyTPP04, AhyTPP13, AhyTPP14) Các protein có mối quan hệ hay bi u thị qua trị số quan hệ nhánh khác Trị số cao tư ng đư ng với quan hệ c u tr c ch ng gần Nhìn vào c y phát sinh lồi ta có t th y có mười nhánh c y ph n lo i có số bootstrap cao (99-100) ối chiếu với nghiên cứu trước đ y TPP loài thực vật l a (Oryza sativa) (Liang et al, 2008), l a mì (Triticum aestivum) (Islam et al, 2021), ghi nhận chia thành hai nhóm lớn với ph n nhóm phụ Các kết cho th y họ AhyTPP thực vật nói chung c y họ đậu nói riêng chia làm hai nhóm ch nh số lượng ph n nhóm phụ th mức độ đa d ng lồi Hình 11 Sơ đồ hình họ AhyTPP lạc 25 3.4 Phân tích biểu đặc thù nhóm gen mã hóa AhyTPP phận lạc ph n t ch bi u đặc th nhóm gen mã hố AhyTPP t i phận ch nh c y l c liệu microarray t i 10 phận c y l c khai thác Kết bi u thị hình sau: Hình 12 Biểu nhóm gen mã hóa TPP quan/bộ phận lạc dựa vào liệu microarray PeanutBase GEO NCBI Theo hình ta th y đa số gen thuộc họ AhyTPP l c có bi u đặc th t i t nh t vị tr c y l c Trong gen bao gồm AhyTPP01, AhyTPP10 AhyTPP14 có mức bi u đặc th m nh t i bốn vị trị rễ, nốt sần, bao hoa nhuỵ Trong cặp gen AhyTPP02 AhyTPP11 l i có bi u m nh t i nốt ần rễ Hai cặp gen lặp AhyTPP03 AhyTPP12, AhyTPP06 AhyTPP12 có mức bi u đặc th m nh t i c ng vị tr rễ nốt sần Trong cặp gen lặp AhyTPP04 AhyTPP11 l i có mức bi u đặc t m nh t i hai vị tr khác biệt nốt sần rễ nhuỵ Hai cặp gen lặp, bao gồm AhyTPP07 AhyTPP16, AhyTPP08 AhyTPP17 có bi u m nh t i đỉnh giai đo n sinh thực, rễ, nốt sần nhụy Ngoài ra, gen gồm AhyTPP05 AhyTPP09 báo cáo bi u ngư ng phát t i vị tr c y 26 l c Từ đ y ta có th th y họ AhyTPP l c thường tập trung bi u m nh số phận, làm t ng cường x c tác sinh t ng hợp trehalose, từ có th liên quan đến sinh trưởng phát tri n c y l c ối chiếu với nghiên cứu trước đ y ta th y l a gen OsTPP1 có bi u đặc th m nh gi p tang khả n ng chống chịu h n chống chịu mặn c y, hay bi u tư ng đối gen TPP-1 t ng cường xử lý h n ngô, l a mì, gen TaTPP8-5A, -5B -5D bi u m nh hầu hết mô, TaTPP1-1A, -1B -1D bi u đặc th th n c y non, TaTPP2-2A, TaTPP4-2A -2D bi u m nh th n c y non, h t Qua ph n t ch ta có th th y nhóm gen TPP khơng quan trọng với c y l c mà ch ng c n có vai tr lớn lao với hệ thực vật có mặt ch ng gi p th c đẩy trình sinh t ng hợp trehalose c ng làm t ng khả n ng chống chịu tác nh n phi sinh học ảnh hưởng đến c y trồng 27 PHẦN IV KẾT LUẬN ã xác định 17 thành viên nhóm AhyTPP c y l c Các gen AhyTPP dự đoán tập trung t i tế bào ch t ề tài x y dựng s đồ hình c y họ gene AhyTPP l c Ph n t ch bi u cho th y kiện lặp nhóm gen ArahyTPP có bi u đặc th t nh t vị tr c quan c y l c có tác động đến q trình sinh t ng hợp trehalose từ có th liên quan đến trình sinh trưởng phát tri n c y l c 28 29 30 31 32 33 34 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ LI N QUAN N KHÓA LUẬN Trần Thị Hải Yến, Vũ Trung ức, Nguyễn Toàn Thắng, Lê Thị Ngọc Quỳnh, Tống V n Hải, Chu ức Hà, Trần Thị Thanh Huyền “Bi u đặc th gen lặp mã hoá TREHALOSE-6-PHOSPHATE PHOSPHATASE giai đo n sinh trưởng phát tri n c y l c (Arachis hypogaea) ược ch p nhận đ ng Tuy n tập Báo cáo tồn v n Hội nghị Cơng nghệ Sinh học tồn quốc tháng 10 n m 2022 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt Nguyễn ình Hải, 2014 C y đậu phộng Luận v n Th c sĩ i học Nông nghiệp Hà Nội Chu Thị Th m, Phan Thị Lài Nguyễn V n Tó (2006) Kỹ thuật trồng ch m sóc l c Nhà xu t Lao động Trần Danh Sửu (2017) - Kỹ thuật trồng ch m sóc c y l c KS Nguyễn ức Cường (2009) - Kỹ thuật trồng l c ( ậu Phộng) - Nhà xu t khoa học tự nhiên công nghệ Lê V n Trọng, Nguyễn Như Khanh (2015) Nghiên cứu số tiêu sinh l số giống l c (Arachis hypogaea L.) trồng Thanh Hóa Khoa Sinh học, Trường i học sư ph m Hà Nội Nguyễn Thị Thanh Hải Vũ ình Ch nh (2011), “ ánh giá đặc m nông sinh học số d ng, giống l c điều kiện vụ xu n vụ thu đ t Gia L m, Hà Nội , Tạp chí Khoa học Phát triển, tr.697-704 Tài liệu Tiếng Anh Ge, L.-F., Chao, D.-Y., Shi, M., Zhu, M.-Z., Gao, J.-P., & Lin, H.-X (2008) Overexpression of the trehalose-6-phosphate phosphatase gene OsTPP1 confers stress tolerance in rice and results in the activation of stress responsive genes Planta, 228(1), 191–201 doi:10.1007/s00425-008-0729-x Lin, Q., Yang, J., Wang, Q., Zhu, H., Chen, Z., Dao, Y., & Wang, K (2019) Overexpression of the trehalose-6-phosphate phosphatase family gene AtTPPF improves the drought tolerance of Arabidopsis thaliana BMC Plant Biology, 19(1) doi:10.1186/s12870-019-1986-5 Wang, W., Chen, Q., Xu, S., Liu, W., Zhu, X., & Song, C (2020) Trehalose‐6‐phosphate phosphatase E modulates ABA‐controlled root growth and stomatal movement in Arabidopsis Journal of Integrative Plant Biology, 62(10), 1518–1534 doi:10.1111/jipb.12925 Rao, K N., Kumaran, D., Seetharaman, J., Bonanno, J B., Burley, S K., & Swaminathan, S (2006) Crystal structure of trehalose-6-phosphate phosphatase-related 36 protein: Biochemical and biological implications Protein Science, 15(7), 1735–1744 doi:10.1110/ps.062096606 Krasensky, J., Broyart, C., Rabanal, F A., & Jonak, C (2014) The Redox-Sensitive Chloroplast Trehalose-6-Phosphate Phosphatase AtTPPD Regulates Salt Stress Tolerance Antioxidants & Redox Signaling, 21(9), 1289–1304 doi:10.1089/ars.2013.5693 Gao, Y., Yang, X., Yang, X., Zhao, T., An, X., & Chen, Z (2021) Characterization and expression pattern of the trehalose-6-phosphate synthase and trehalose-6-phosphate phosphatase gene families in Populus International Journal of Biological Macromolecules, 187, 9–23 doi:10.1016/j.ijbiomac.2021.07.096 Zheng Z, Ziqi S, Yuanjin F, Feiyan Q, Hua L, Lijiuan M, Pei D, Lei S, Wei G, Suoyi H, Wenzhao D, Fengshou T, Feng C, Hai H, Bingyan H and Xinyou Z (2018), “Genetic diversity, population structure, and botanical variety of 320 global peanut accessions revealed through tunable genotyping-by-sequencing , Secientific reports, 8, pp.14500 Q Dong, X Zhao, D Zhou, Z Liu, X Shi, Y Yuan, et al., "Maize and peanut intercropping improves the nitrogen accumulation and yield per plant of maize by promoting the secretion of flavonoids and abundance of Bradyrhizobium in rhizosphere," Front Plant Sci, Vol 13, pp 957336, 2022 M J Paul and A Gonzalez-Uriarte, "The role of trehalose 6-phosphate in crop yield and resilience," Plant Physiol, Vol 177, pp 12-23, 2018 10 L Vandesteene, L López-Galvis, K Vanneste, R Feil, S Maere, W Lammens, et al., "Expansive evolution of the trehalose- 6-phosphate phosphatase gene family in Arabidopsis," Plant Physiol, Vol 160, pp 884-896, 2012 11 D M Goodstein, S Shu, R Howson, R Neupane, R D Hayes, J Fazo, et al., "Phytozome: A comparative platform for green plant genomics," Nucleic Acids Res, Vol 40, pp D1178-D1186, Jan 2012 12 S Dash, K Ethalinda, S Cannon, R Scott D Andrew, D Farmer and B Steven, "PeanutBase and other bioinformatic resources for peanut (Chapter 8) In Peanuts genetics, processing, and utilization, edited by H Thomas Stalker and Richard F Wilson, AOCS Press, 2016, pp 241-252 13 J Mistry, S Chuguransky, L Williams, M Qureshi, Gustavo A Salazar, E L L Sonnhammer, et al., "Pfam: The protein families database in 2021," Nucleic Acids Res, Vol 49, pp D412-D419, 2021 37