Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu xác định và phân tích đặc tính cấu trúc của nhóm nhân tố phiên mã nac ở cây lạc (arachis hypogaea)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA NHĨM NHÂN TỐ PHIÊN MÃ NAC Ở CÂY LẠC (Arachis hypogaea)” Hà Nội, năm 2021 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA NHÓM NHÂN TỐ PHIÊN MÃ NAC Ở CÂY LẠC (Arachis hypogaea)” Tên sinh viên : Phạm Thị Linh Ngành : Công nghệ sinh học Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Thanh Hảo TS Chu Đức Hà Hà Nội, 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan trực tiếp thực nghiên cứu khóa luận Mọi kết thu nguyên bản, không chỉnh sửa chép từ nghiên cứu khác Các số liệu, kết khóa luận chưa cơng bố Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với lời cam đoan trên! Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Linh Phạm Thị Linh i LỜI CẢM ƠN Trong trình thực khóa luận tốt nghiệp, ngồi cố gắng thân nhận nhiều giúp đỡ, tơi xin tỏ lịng biết ơn vơ sâu sắc tới thầy TS Nguyễn Thanh Hảo - Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam thầy TS Chu Đức Hà - Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội hướng dẫn tận tình, chu đáo bên cạnh kiến thức xã hội bổ ích khác Bên cạnh đó, xin chân cảm ơn giúp đỡ quý báu, nhiệt tình tập thể cán thuộc môn Sinh học phân tử - Viện Di truyền Nông nghiệp, nơi tơi tiến hành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin cảm ơn giúp đỡ thầy cô Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam Cuối xin gửi lời cảm ơn chân thành tới bạn bè, gia đình, bố mẹ tơi, người bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ có thời gian nghiên cứu đề tài hết lịng hỗ trợ mặt tinh thần suốt thời gian thực đề tài Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Sinh viên thực Linh Phạm Thị Linh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH ix TÓM TẮT x Phần I: MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục đích yêu cầu đề tài 1.2.1 Mục đích đề tài 1.2.2 Yêu cầu đề tài Phần II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Thông tin khoa học chung lạc .3 2.1.1 Tên khoa học phân loại thực vật lạc 2.1.2 Lịch sử nguồn gốc xuất xứ phân bố lạc .3 2.1.3 Đặc điểm sinh học lạc 2.1.3.1 Đặc điểm hình thái 2.1.3.2 Đặc điểm di truyền .5 2.1.4 Vai trò lạc 2.2 Tình hình sản xuất phân bố lạc .8 2.2.1 Tình hình sản xuất phân bố lạc giới .8 2.2.2 Tình hình sản xuất phân bố lạc nước ta 2.3 Một vài nét họ NAC vai trò họ NAC trình sinh trưởng phát triển thực vật 11 2.3.1 Một vài nét họ NAC .11 2.3.2 Vai trò họ NAC trình sinh trưởng phát triển thực vật .11 2.4 Tình hình nghiên cứu họ NAC Việt Nam giới 12 2.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 12 iii 2.4.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam .14 Phần III: PHẠM VI, NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 3.1 Phạm vi nghiên cứu 16 3.2 Nội dung nghiên cứu 16 3.3 Vật liệu phương pháp nghiên cứu 16 3.3.1 Vật liệu nghiên cứu 16 3.3.2 Phương pháp nghiên cứu .16 3.3.2.1 Phương pháp tìm kiếm xác định họ TF NAC giống lạc Tifrunner 16 3.3.2.2 Phương pháp định danh giải họ TF NAC giống lạc Tifrunner 17 3.3.2.3 Phương pháp phân tích đặc tính cấu trúc gene mã hóa TF AhNAC giống lạc Tifrunner 18 3.3.2.4 Phương pháp xây dựng sơ đồ hình nhóm AhNAC 19 3.3.2.5 Phương pháp phân tích đặc tính lý hóa AhNAC giống lạc Tifrunner 19 3.3.2.6 Phương pháp dự đốn vị trí cư trú nội bào AhNAC giống lạc Tifrunner .20 3.3.2.7 Phương pháp xây dựng cấu trúc bậc cấu trúc không gian AhNAC 20 Phần IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22 4.1 Kết xác định, định danh họ TF NAC giống lạc Tifrunner 22 4.2 Kết phân tích đặc tính cấu trúc gene mã hóa TF AhNAC giống lạc Tifrunner 25 4.3 Kết phân tích đặc tính lý hóa dự đốn vị trí cư trú nội bào AhNAC lạc 29 4.3.1 Kết phân tích đặc tính lý hóa AhNAC lạc 29 4.3.2 Kết dự đốn vị trí cư trú nội bào AhNAC lạc .30 4.4 Kết xây dựng sơ đồ hình cấu trúc bậc 2, cấu trúc không gian NAC lạc .32 4.4.1 Kết xây dựng sơ đồ hình TF AhNAC lạc .32 4.4.2 Kết xây dựng cấu trúc bậc 2, cấu trúc không gian TF AhNAC lạc 33 Phần V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .37 5.1 Kết luận 37 iv 5.2 Kiến nghị 37 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN KHĨA LUẬN .38 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 v DANH MỤC VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Giải thích Tiếng Anh Giải thích Tiếng Việt ABA Acid abscisic Axít abscisic ATAF Arabidopsis Nhân tố hoạt hóa phiên mã Transcription Activation Arabidopsis factor A-T Adenine - Thymine Ađêni – Thymin BLAST Basic local alignment Cơng cụ tìm kiếm trình tự search tool BlastP Protein-protein BLAST - CDS Coding DNA Sequence Trình tự mã hóa DNA cTP Choloroplast transit Peptide vận chuyển diệp peptide lục CUC Cup-shaped cotyledon - DNA Deoxyribonucleic acid Axít deoxyribonucleic 10 FAOSTAT Food and Agriculture Ngân hàng liệu trực Organization Corporate tuyến Tổ chức Lương Statistical Database thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc 11 GSDS Gene Structure Display Hệ thống hiển thị cấu trúc Server gene 12 G–C Guanine - Cytosine Guanin – Xitơzin 13 MEGA Molecular Evolutionary Phân tích di truyền tiến hóa Genetics Analysis phân tử vi 14 mTP Mitochondrial targeting Peptid chuyển vị ty thể peptide 15 NAM No Apical Meristem Không mô phân sinh đỉnh 16 NCBI National Center for Trung tâm Thông tin Công Biotechnology nghệ Sinh học Quốc gia Information 17 NST Chromosome Nhiễm sắc thể 18 SP Secretory pathway signal Peptid tín hiệu đường peptide bao gói Transmembrane helices Cấu trúc xoắn cuộn xuyên 19 TM helix màng 20 TF Transciption factor Nhân tố phiên mã vii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng 100 gram hạt lạc chín khô Bảng 4.1 Định danh giải họ TF NAC giống lạc Tifrunner 23 Bảng 4.2 Hàm lượng AT (%), GC (%) gene mã hóa TF AhNAC 27 Bảng 4.3 Thơng số đặc tính lý hóa TF AhNAC lạc 29 Bảng 4.4 Vị trí phân bố nội bào họ AhNAC lạc 31 Bảng 4.5 Mô hình cấu trúc bậc AhNAC lạc 35 viii đó, AhNAC01, 02, 06, 07, 09, 11, 12, 16,17, 20, 22, 23, 25, 28 chiếm tỉ lệ cao mức trung bình Cấu trúc sợi β chiếm tỷ lệ thấp từ 9% đến 21% Các phân tử có cấu trúc TM helix (Transmembrane helix) chiếm tỷ lệ thấp dao động từ 0% đến 5%, cấu trúc khơng có TM helix ngoại trừ AhNAC08, 18, 20 cấu trúc khác chưa xác định lại có tỷ lệ cao dao động từ 52% (AhNAC05) đến 70% (AhNAC18) 36   Phần V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Với kết đạt được, có bốn kết luận sau: (1) Kết xác định, định danh họ gene mã hóa TF AhNAC giống lạc Tifrunner bao gồm 29 thành viên Các gene phân bố rải rác không đồng genome lạc (2) Kết qủa phân tích cấu trúc gene mã hóa TF AhNAC giống lạc Tifrunner xác định cấu trúc bền vững đa dạng Trong nghiên cứu, số lượng intron AhNAC thay đổi từ đến cấu trúc gene chủ yếu exon intron (3) Kết qủa phân tích đặc tính lý hóa cho thấy TF AhNAC đa dạng kích thước trọng lượng phân tử 26/29 TF AhNAC có cấu trúc khơng ổn định mơi trường in vitro tổng số 29 AhNAC có tính ưa nước Kết dự đốn vị trí nội bào cho thấy 26/29 protein chưa rõ vị trí phân bố tế bào (chiếm 89,66%) (4) Kết xây dựng phát sinh loài chia TF AhNAC thành hai nhóm phân nhóm phụ Xác định thành phần cấu trúc α, β, Tm helix thành phần không xác định cấu trúc bậc 2, xác định độ tin cậy, độ bao phủ, hình có gene cấu trúc bậc 5.2 Kiến nghị Nghiên cứu tiếp tục nhằm phân tích đặc tính quan trọng họ NAC, từ cung cấp liệu đáng tin cậy cho nghiên cứu thực nghiệm 37   DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN KHĨA LUẬN Chu Đức Hà, Phạm Thị Linh, Nguyễn Thanh Hảo, Nguyễn Quốc Trung, La Việt Hồng, Phạm Phương Thu, Lê Thị Ngọc Quỳnh, Hà Thị Quyến, Lê Thị Hiên, Phạm Minh Triển, Lê Huy Hàm (2021) “Phân tích cấu trúc biểu họ gene mã hóa nhân tố phiên mã NAC lạc (Arachis hypogaea) công cụ sinh học.” Được chấp nhận đăng Tuyển tập Báo cáo toàn văn Hội nghị Cơng nghệ Sinh học tồn quốc tháng 10 năm 2021 38   39   40   41   42   43   44   TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt Trần Danh Sửu (2017) - Kỹ thuật trồng chăm sóc lạc - Nhà xuất Hà Nội Nguyễn Đức Cường (2009) - Kỹ thuật trồng lạc ( Đậu Phộng) - Nhà xuất khoa học tự nhiên công nghệ Nguyễn Đình Hải (2014) - Cây đậu phộng - Luận văn Thạc sĩ - Đại học Nông nghiệp Hà Nội Nguyễn Vũ Thanh Thanh, Bùi Thị Thu, Phạm Thanh Tùng, Lê Văn Sơn, Chu Hoàng Mậu (2014) - Đặc điểm gen mã hóa nhân tố phiên mã NAC1 phân lập từ số giống ngô (Zea mays L.) Việt Nam - Tạp chí Khoa học cơng nghệ 119(05): 67-72 Nguyễn Thị Thu Ngà (2014) - Luận án tiến sĩ Nghiên cứu phân lập chuyển gen NAC2 liên quan đến chịu hạn lạc ( Arachis hypogaea L.) Vũ Thị Thu Thủy, Nguyễn Thị Tâm, Chu Hồng Mậu (2013) - Tạo dịng lạc chịu hạn cơng nghệ tế bào thực vật - Tạp chí sinh học, 35(3): 357-362 45   Tài liệu Tiếng Anh Nagy, E D., Guo, Y., Tang, S., Bowers, J E., Okashah, R A., Taylor, C A., … Knapp, S J (2012) A high-density genetic map of Arachis duranensis, a diploid ancestor of cultivated peanut BMC Genomics, 13(1), 469 DOI: 10.1186/1471-2164-13-469 Seijo, G., Lavia, G I., Fernandez, A., Krapovickas, A., Ducasse, D A., Bertioli, D J., & Moscone, E A (2007) Genomic relationships between the cultivated peanut (Arachis hypogaea, Leguminosae) and its close relatives revealed by double GISH American Journal of Botany, 94(12), 1963–1971 DOI: 10.3732/ajb.94.12.1963 Fletcher S.M and ShiZ (2016) An overview of world peanut markets In: StalkerH.T., WilsonR.F., editors, Peanuts: Genetics, processing and utilization Academic Press and AOCS Press, New York p 267–287 Kambiranda D.M, H.K Vasanthaiah, R Katam, A Ananga, S.M Basha, K Naik (2011) Impact of drought stress on peanut (Arachis hypogaea L.) productivity and food safety, Plants and Environment In Tech Publisher.(http://www.intechopen.com/books/plantsand-environment/impact-of-drought-stress-onpeanut-arachis-hypogaea-l-productivityand-food-safety), pp.249-272 Baillo, R.N Kimotho, Z Zhang, P Xu (2019) Transcription factors associated with abiotic and biotic stress tolerance and their potential for crops improvement, Genes, 10(10), pp.771 DOI: 10.3390/genes10100771 Olsen, A N., Ernst, H A., Leggio, L L., & Skriver, K (2005) NAC transcription factors: structurally distinct, functionally diverse Trends in Plant Science, 10(2), 79– 87 DOI: 10.1016/j.tplants.2004.12.010 Fan, K., Li, F., Chen, J., Li, Z., Lin, W., Cai, S., … Lin, W (2018) Asymmetric Evolution and Expansion of the NAC Transcription Factor in Polyploidized Cotton Frontiers in Plant Science, DOI: 10.3389/fpls.2018.00047 Puranik, S., Sahu, P P., Mandal, S N., B., V S., Parida, S K., & Prasad, M (2013) Comprehensive Genome-Wide Survey, Genomic Constitution and Expression Profiling of the NAC Transcription Factor Family in Foxtail Millet (Setaria italica L.) PLoS ONE, 8(5), e64594 DOI: 10.1371/journal.pone.0064594 Sammy Quaisi (2017) Arachis hypogaea L Agricultural Science 10 Mathew, I E., Das, S., Mahto, A., & Agarwal, P (2016) Three Rice NAC Transcription Factors Heteromerize and Are Associated with Seed Size Frontiers in Plant Science, DOI: 10.3389/fpls.2016.01638 46   11 Jin, C., Li, K.-Q., Xu, X.-Y., Zhang, H.-P., Chen, H.-X., Chen, Y.-H., Zhang, S.-L (2017) A Novel NAC Transcription Factor, PbeNAC1, of Pyrus betulifolia Confers Cold and Drought Tolerance via Interacting with PbeDREBs and Activating the Expression of Stress-Responsive Genes Frontiers in Plant Science, DOI: 10.3389/fpls.2017.01049 12 Ooka, H (2003) Comprehensive Analysis of NAC Family Genes in Oryza sativa and Arabidopsis thaliana DNA Research, 10(6), 239–247 DOI: 10.1093/dnares/10.6.239 13 Pinheiro, G L., Marques, C S., Costa, M D B L., Reis, P A B., Alves, M S., Carvalho, C M., Fontes, E P B (2009) Complete inventory of soybean NAC transcription factors: Sequence conservation and expression analysis uncover their distinct roles in stress response Gene, 444(1-2), 10–23 DOI: 10.1016/j.gene.2009.05.012 14 Nuruzzaman, M., Manimekalai, R., Sharoni, A M., Satoh, K., Kondoh, H., Ooka, H., & Kikuchi, S (2010) Genome-wide analysis of NAC transcription factor family in rice Gene, 465(1-2), 30–44 DOI: 10.1016/j.gene.2010.06.008 15 Su, H., Zhang, S., Yuan, X., Chen, C., Wang, X.-F., & Hao, Y.-J (2013) Genome-wide analysis and identification of stress-responsive genes of the NAM–ATAF1,2–CUC2 transcription factor family in apple Plant Physiology and Biochemistry, 71, 11–21 DOI: 10.1016/j.plaphy.2013.06.022 16 Ha, C V., Nasr Esfahani, M., Watanabe, Y., Tran, U T., Sulieman, S., Mochida, K., … Tran, L.-S P (2014) Genome-Wide Identification and Expression Analysis of the CaNAC Family Members in Chickpea during Development, Dehydration and ABA Treatments PLoS ONE, 9(12), e114107 DOI: 10.1371/journal.pone.0114107 17 Cenci, A., Guignon, V., Roux, N., & Rouard, M (2014) Genomic analysis of NAC transcription factors in banana (Musa acuminata) and definition of NAC orthologous groups for monocots and dicots Plant Molecular Biology, 85(1-2), 63–80 DOI: 10.1007/s11103-013-0169-2 18 Hu, W., Wei, Y., Xia, Z., Yan, Y., Hou, X., Zou, M., … Peng, M (2015) Genome-Wide Identification and Expression Analysis of the NAC Transcription Factor Family in Cassava PLOS ONE, 10(8), e0136993 DOI: 10.1371/journal.pone.0136993 19 Zheng, X., Tang, S., Zhu, S., Dai, Q., & Liu, T (2016) Identification of an NAC Transcription Factor Family by Deep Transcriptome Sequencing in Onion (Allium cepa L.) PLOS ONE, 11(6), e0157871 DOI: 10.1371/journal.pone.0157871 20 Zhang, H., Kang, H., Su, C., Qi, Y., Liu, X., & Pu, J (2018) Genome-wide identification and expression profile analysis of the NAC transcription factor family during abiotic and 47   biotic stress in woodland strawberry PLOS ONE, 13(6), e0197892 DOI: 10.1371/journal.pone.0197892 21 Hall T A (1999) BioEdit: A user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT Nucleic Acids Symp Ser 41: 95 - 98 22 Hu B., Jin J., Guo A Y., Zhang H., Luo J., Gao G (2015) GSDS 2.0: An upgraded gene feature visualization server Bioinformatics (Oxford, England) 31(8): 1296 - 1297 23 Jin JP, Tian F, Yang DC, Meng YQ, Kong L, Luo JC and Gao G (2017) PlantTFDB 4.0: toward a central hub for transcription factors and regulatory interactions in plants Nucleic Acids Research, 45(D1):D1040-D1045 24 Kumar S., G Stecher, K Tamura (2016) MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets Molecular Biology Evol, 33(7): 1870 - 1874 DOI: 10.1093/molbev/msw054 25 Gasteiger, E., Gattiker, A., Hoogland, C., Ivanyi, I., Appel, R D., & Bairoch, A (2003) ExPASy: The proteomics server for in-depth protein knowledge and analysis Nucleic acids research, 31(13), 3784–3788 26 Kelley L A., S Mezulis, C M Yates, M N Wass and M J E Sternberg (2015) The Phyre2 web portal for protein modeling, prediction and analysis Nature Protocols volume 10, pages845 - 858(2015) DOI: 10.1038/nprot.2015.053 27 Liu, X., wang, T., Bartholomew, E., Black, K., Dong, M., Zhang, Y., … Ren, H (2018) Comprehensive analysis of NAC transcription factors and their expression during fruit spine development in cucumber (Cucumis sativus L.) Horticulture Research, 5(1) DOI: 10.1038/s41438-018-0036-z 28 Arya, S S., Salve, A R., & Chauhan, S (2015) Peanuts as functional food: a review Journal of Food Science and Technology, 53(1), 31–41 DOI: 10.1007/s13197-015-20079 29 Syed F., Arif S., Ahmed I., Khalid N (2021) Groundnut (Peanut) (Arachis hypogaea) In: Tanwar B., Goyal A (eds) Oilseeds: Health Attributes and Food Applications Springer, Singapore DOI: 10.1007/978-981-15-4194-0_4 30 Ray O Hammons, Danielle Herman, H Thomas Stalker 2016, Chapter - Origin and Early History of the Peanut, Editor(s): H Thomas Stalker, Richard F Wilson, Peanuts, AOCS Press, Pages 1-26, ISBN 9781630670382, DOI: 10.1016/B978-1-63067-0382.00001-0 48   31 Ling, L., Song, L., Wang, Y., & Guo, C (2017) Genome-wide analysis and expression patterns of the NAC transcription factor family in Medicago truncatula Physiology and Molecular Biology of Plants, 23(2), 343–356 DOI: 10.1007/s12298-017-0421-3 32 Min, X., Jin, X., Zhang, Z., Wei, X., Ndayambaza, B., Wang, Y., & Liu, W (2019) Genome-Wide Identification of NAC Transcription Factor Family and Functional Analysis of the Abiotic Stress-Responsive Genes in Medicago sativa L Journal of Plant Growth Regulation DOI: 10.1007/s00344-019-09984-z Tài liệu Internet FAO - Tổ chức Nông nghiệp Thực phẩm Liên Hợp Quốc (2019) Truy cập ngày 7/3/2021 http://www.fao.org/faostat/en/#search/peanut NCBI Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia Truy cập ngày 9/3/2021 https://www.ncbi.nlm.nih.gov/ Phần mềm TargetP Truy cập ngày 30/12/2020 cập ngày 10/5/2021 http://www.cbs.dtu.dk/services/TargetP/ Phần mềm Phyre2 Truy http://www.sbg.bio.ic.ac.uk/~phyre2/html/page.cgi?id=index Phần mềm GSDS Truy cập ngày 5/4/2021 http://gsds.cbi.pku.edu.cn Phần mềm Expasy Protparam Truy cập ngày 19/4/2021 https://web.expasy.org/protparam PlantTFDB Truy cập ngày 2/3/2021 http://planttfdb.gao-lab.org/ Tổng cục thống kê Truy cập 10/2/2021 https://www.gso.gov.vn/ 49   50