Chú giải và đánh giá mức độ phiên mã của nhóm gên mã hóa protein vận chuyển đường sucrose trên cây diêm mạch (khóa luận tốt nghiệp)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “CHÚ GIẢI VÀ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHIÊN MÃ CỦA NHÓM GENE MÃ HÓA PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG SUCROSE TRÊN CÂY DIÊM MẠCH (Chenopodium quinoa)” Hà Nội, năm 2021 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “CHÚ GIẢI VÀ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHIÊN MÃ CỦA NHÓM GENE MÃ HÓA PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG SUCROSE TRÊN CÂY DIÊM MẠCH (Chenopodium quinoa)” Tên sinh viên : Nguyễn Thị Ngọc Ánh Ngành : Công nghệ sinh học Giảng viên hướng dẫn : TS Chu Đức Hà TS Bùi Thị Thu Hương Hà Nội, năm 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 Sinh viên thực Nguyễn Thị Ngọc Ánh i LỜI CẢM ƠN Trong q trình thực khóa luận tốt nghiệp, ngồi cố gắng thân tơi nhận nhiều giúp đỡ, tơi xin tỏ lịng biết ơn vơ cùng sâu sắc tới cô TS Bùi Thị Thu Hương - Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam thầy TS Chu Đức Hà - Bộ môn Sinh học phân tử - Viện Di truyền Nơng nghiệp hướng dẫn tận tình, chu đáo bên cạnh kiến thức xã hội bổ ích khác Bên cạnh đó, tơi 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 tiến hành khóa luận tốt nghiệp Cuối cùng, xin cảm ơn giúp đỡ thầy cô Bộ môn Sinh học - Khoa Công nghệ sinh - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam Hà nội, ngày tháng năm Sinh viên thực Nguyễn Thị Ngọc Ánh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii TÓM TẮT ix Phần I: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục đích yêu cầu đề tài 1.2.1 Mục đích đề tài 1.2.2 Yêu cầu đề tài 2.1.1 Phân loại thực vật nguồn gốc xuất xứ diêm mạch 2.1.2 Đặc điểm sinh học diêm mạch 2.1.3 Tình hình sản xuất diêm mạch giới Việt Nam 2.1.4 Vai trò diêm mạch 2.2 Giới thiệu protein vận chuyển sucrose SWEET tiềm ứng dụng nông nghiệp 12 2.2.1 Một vài nét protein vận chuyển sucrose SWEET 12 2.2.2 Tiềm ứng dụng SWEET cải thiện di truyền tính kháng ở trồng 14 2.3 Tình hình nghiên cứu SWEET giới Việt Nam 15 2.3.1 Tình hình nghiên cứu SWEET giới 15 2.3.2 Tình hình nghiên cứu SWEET ở Việt Nam 16 Phần III PHẠM VI, NỘI DUNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 3.1 Phạm vi nghiên cứu 18 3.2 Nội dung nghiên cứu 18 iii 3.3 Vật liệu phương pháp nghiên cứu 19 3.3.1 Vật liệu nghiên cứu 19 3.3.2 Phương pháp nghiên cứu 19 Phần IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 4.1 Kết xác định họ gene mã hóa protein vận chuyển đường sucrose diêm mạch 26 4.2 Mối quan hệ CqSWEET ở diêm mạch 28 4.3 Cấu trúc đặc trưng nhóm protein CqSWEET diêm mạch 30 4.3.1 Cấu trúc xuyên màng protein SWEET ở diêm mạch 30 4.3.2 Cấu trúc phân tử protein ở diêm mạch 34 4.4 Đặc tính cấu trúc gene SWEET ở diêm mạch 36 4.5 Sự biểu mã hóa SWEET ở diêm mạch thơng qua liệu hoa trắng hoa vàng 40 Phần V KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 43 5.1 Kết luận 43 5.2 Kiến nghị 43 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN KHÓA LUẬN 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 45 iv DANH MỤC VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Giải thích tiếng anh Giải thích tiếng việt BLAST Basic local alignment Cơng cụ tìm kiếm trình tự search tool BlastP Protein-protein BLAST - CDS Coding DNA sequence Trình tự DNA mã hóa DNA Deoxyribonucleic acid Axit dxyribơnucleic FAOSTAT Food and Agriculture Ngân hàng liệu trực Organization Corporate tuyến Tổ chức Lương Statistical Database thực Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc FPKM Fragments per kilobase of - transcript per million mapped reads G-C Guanine - Cytosine Guanin – Xitôzin GEO NCBI Gene Expression Omnibus Trung tâm Thông tin National Center for Công nghệ Sinh học Quốc Biotechnology gia biểu gen Information gDNA Genomic DNA Trình tự DNA 10 GSDS Gene Structure Display Hệ thống hiển thị cấu trúc Server gen 11 m metre mét 12 mm milimeter Mili mét Molecular Evolutionary Phân tích di truyền tiến Genetics Analysis hóa phân tử National Center for Trung tâm Thông tin 13 14 MEGA NCBI v Biotechnology Công nghệ Sinh học Quốc Information gia 15 NST Chromosome Nhiễm sắc thể 16 RNA Ribonucleic acid Axit ribơnucleic 17 RNA-Seq Ribonucleic acid Giải trình tự ribơnucleic Sequencing 18 SWEET Sugar Will Eventually be - Exported Transporter 19 TMHMM Transmembrane by hidden - Markov model 20 21 TM helix THB Transmembrane helices Triple-helix-bundle vi Cấu trúc xoắn cuộn xuyên màng DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thành phần dinh dưỡng có 100gram hạt diêm mạch 11 Bảng 2.2: Nghiên cứu SWEET loài thực vật 17 Bảng 4.1: Định danh thông tin họ SWEET ở diêm mạch 27 Bảng 4.2: Kết phân tích đặc tính cấu trúc protein SWEET ở diêm mạch 36 Bảng 4.3: Đặc tính cấu trúc họ gene CqSWEET diêm mạch 37 Bảng 4.4: Đặc tính gDNA họ gene CqSWEET ở diêm mạch 38 vii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Cây Quinoa (Chenopodium quinoa Willd) Hình 2.2 Sản lượng diêm mạch tại ba nước Boliva, Peru, Ecuador từ năm 2010 đến năm 2018 Hình 2.3 Diện tích sản lượng canh tác diêm mạch toàn giới (Shahbandeh, 2020) Hình 3.1 Phương pháp xác định nhóm SWEET liệu diêm mạch 20 Hình 3.2 Phương pháp định danh giải nhóm SWEET hệ tham chiếu diêm mạch 21 Hình 3.3 Phương pháp xây dựng sơ đờ hình nhóm SWEET ở diêm mạch 22 Hình 3.4 Phương pháp xác định cấu trúc xuyên màng protein SWEET ở diêm mạch 22 Hình 3.5 Phương pháp xây dựng cấu trúc phân tử protein ở diêm mạch 23 Hình 3.6 Phương pháp phân tích cấu trúc gene SWEET ở diêm mạch 24 Hình 3.7 Đánh giá liệu nhóm gene CqSWEET diêm mạch 25 Hình 4.1 Số lượng SWEET số loài thực vật 28 Hình 4.2 Sơ đờ hình SWEET ở diêm mạch 30 Hình 4.3 Mơ hình cấu trúc với xoắn xuyên màng điển hình CqSWEET xây dựng nhờ TMHMM Server v.2.0 31 Hình 4.4 Cấu trúc 3D nhóm IA, IB CqSWEET ở diêm mạch 32 Hình 4.5 Mơ hình cấu trúc với xoắn xun màng điển hình nhóm IA, IB CqSWEET xây dựng nhờ TMHMM Server v.2.0 32 Hình 4.6 Cấu trúc 3D nhóm IIA, IIB CqSWEET ở diêm mạch 33 Hình 4.7 Mơ hình cấu trúc với xoắn xun màng điển hình nhóm IIA, IIB CqSWEET xây dựng nhờ TMHMM Server v.2.0 33 Hình 4.8 Cấu trúc xoắn cuộn xuyên màng họ CqSWEET ở diêm mạch 34 Hình 4.9 Cấu trúc exon/intron gene mã hóa CqSWEET ở diêm mạch 39 Hình 4.10 Cấu hình biểu gene CqSWEET tại hoa hai giống diêm mạch hoa trắng hoa vàng (GSE139174) khai thác từ GEO NCBI 42 viii 16 Graf B L., P R Silva, L E Rojo, J D Herrera, M E Baldeón and I Raskin (22/6/2016) Innovations in health value and functional food development of quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) Compr Rev Food Sci Food Saf 14(4): - 12 DOI: 10.1111/1541 - 4337.12135 17 Hazzam K E., J Hafsa, M Sobeh, M Mhada, M Taourirte, K E Kacimi and A Yasri (2020) An insight into saponins from quinoa (Chenopodium quinoa Willd): A Review 25(5): 1059 Published online 2020 Feb 27 Doi: 10.3390/molecules25051059 18 Hu B., H Wu, W Huang, J Song, Y Zhou and Y Lin (2019) SWEET gene family in Medicago truncatula: genome-wide identification, expression and substrate specificity analysis Plants 2019, 8, 338 Doi: 10.3390/plants8090338 19 Hu B., J Jin, A Y Guo, H Zhang, J Luo and G Gao (2015) GSDS 2.0: an upgraded gene feature visualization server Bioinformatics, 31(8): 1296 - 1297 20 Isono D K (2016) Draft genome sequence of an inbred line of Chenopodium quinoa, an allotetraploid crop with great environmental adaptability and outstanding nutritional properties DNA Research, Volume 23, Issue 6, December 2016: 535 - 546 Doi: 10.1093/dnares/dsw037 21 Jarvis D E., Y S Ho, D J Lightfoot, S M Schmöckel, B Li, T J A Borm, H Ohyanagi, K Mineta, C T Michell, N Saber, N M Kharbatia, R R Rupper, A R Sharp, N Dally, B A Boughton, Y H Woo, G Gao, E G W M Schijlen, X Guo, A A Momin, S Negrão, S A Babili, C Gehring, U Roessner, C Jung, K Murphy, S T Arold, T Gojobori, C G Linden, E N Loo , E N Jellen, P J Maughan and M.Tester (2017) The genome of Chenopodium quinoa Nature, 542(7641): 307 - 312 Doi: 10.1038/nature21370 22 Jian H., K Lu, B Yang, T Wang, L Zhang, A Zhang, J Wang, L Liu, C Qu and J Li (2016) Genome-wide analysis and expression profiling of the SUC and SWEET gene families of sucrose transporters in oilseed rape (Brassica napus L.) Frontiers in plant science 7: 1464 Doi: 10.3389/fpls.2016.01464 23 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 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 48 25 Kryvoruchko I S., S Sinharoy, I T Jerez, D Sosso, C I Pislariu, D Guan, J Murray, V A Benedito, W B Frommer and M K Udvardi (2016) MtSWEET11, a nodule-specifc sucrose transporter of Medicago truncatula Plant Physiol 171(1):554 - 565 Doi: 10.1104/pp.15.01910 26 Lei N., X Yu, S Li, C Zeng, L Zou, W Liao and M Peng (2017) Phylogeny and expression pattern analysis of TCP transcription factors in cassava seedlings exposed to cold and/or drought stress Scientific reports 7(1): 10016 Doi: 10.1038/s41598 - 017 - 09398 - 27 Lin I W., D Sosso, L Q Chen, K Gase, S G Kim, D Kessler, P M Klinkenberg, M K Gorder, B H Hou, X Q Qu, C J Carter, I T Baldwin and W B Frommer (2014) Nectar secretion requires sucrose phosphate synthases and the sugar transporter SWEET9 Nature 508: 546 - 549 Doi: 10.1038/nature13082 28 Liao Y., G K Smyth and W Shi (2019) The R package Rsubread is easier, faster, cheaper and better for alignment and quantification of RNA sequencing reads Nucleic Acids Reseach, 47(8): e47 Doi:10.1093/nar/gkz114 29 Miao H., P Sun, Q Liu, Y Miao, J Liu, K Zhang, W Hu, J Zhang, J Wang, Z Wang, C Jia, B Xu and Z Jin (2017) Genome-wide analyses of SWEET family proteins reveal involvement in fruit development and abiotic/biotic stress responses in banana Scientific reports 7(1): 3536 Doi: 10.1038/s41598 - 017 - 03872 - w 30 Misra V A., E K Wafula, Y Wang, C W dePamphilis and M P Timko (2019) Genome - wide identification of MST, SUT and SWEET family sugar transporters in root parasitic angiosperms and analysis of their expression during host parasitism BMC Plant Biology (2019) 19: 196 Doi: 10.1186/s12870 – 019 – 1786 – y 31 Patil G., B Valliyodan, R Deshmukh, S Prince, B Nicander, M Zhao, H Sonah, L Song, L Lin, J Chaudhary, Y Liu, T.Joshi, D Xu and H T Nguyen (2015) Soybean (Glycine max) SWEET gene family: insights through comparative genomics, transcriptome profiling and whole genome re-sequence analysis BMC Genomics, 16: 520 Doi: 10.1186/s12864 – 015 – 1730 - y 32 Repo-Carrasco R., C Espinoza, S E Jacobsen (2003) Giá trị dinh dưỡng công dụng quinoa Andean (Chenopodium quinoa) kañiwa (Chenopodium pallidicaule) Food reviews international 19 179 - 189 10.1081 / FRI - 120018884 33 Smarda P., P Bures, L Horova, I J Leitch, L Mucina, E Pacini, L Tichy, V Grulich and O Rotreklova (2014) Ecological and evolutionary significance of genomic GC content 49 diversity in monocots Proc Natl Acad Sci USA 111(39): E4096 - E4102 Doi: 10.1073/pnas.1321152111 34 Smith K A Luật pháp, nhà lãnh đạo truyền thuyết Thư viện Y học Quốc gia đại Journal of the medical library 2008 tháng 4; 96 (2): 121 - 33 35 Sosso D., D Luo, Q B Li, J Sasse, J Yang, G Gendrot, M Suzuki, K E Koch, D R McCarty, P S Chourey, P M Rogowsky, J R Ibarra, B Yang and W B Frommer (2015) Seed flling in domesticated maize and rice depends on SWEETmediated hexose transport Nat Genet 47:1489 - 1493 Doi: 10.1038/ng.3422 36 Sugiyama A Saida, M Yoshimizu, K Takanashi, D Sosso, W B Frommer and K Yazaki (2017) Molecular characterization of LjSWEET3, a sugar transporter in nodules of Lotus japonicus Plant Cell Physiol 58(2): 298 - 306 Doi: 10.1093/pcp/pcw190 37 Sui J L., X H Xiao, J Y Qi, Y J Fang and C R Tang (2017) The SWEET gene family in Hevea brasiliensis - its evolution and expression compared with four other plant species The federation of european biochemical societies open Biology 7(12): 1943 - 1959 Doi: 10.1002/2211 - 5463.12332 38 Wang J., C Yan, Y Li, K Hirata, M Yamamoto, N Yan and Q Hu (2014) Crystal structure of a bacterial homologue of SWEET transporters Cell Reseach 24:1486–1489 Doi: 10.1038/cr.2014.144 39 Xie H., D Wang, Y Qin, A Ma, J Fu, Y Qin, G Hu and J Zhao (2019) Genome - wide identification and expression analysis of SWEET gene family in Lichi chinensis reveal the involvement of LcSWEET2a/3b in early seed development BCM Plant Biology, 19: 499 Doi: 10.1186/s12870 – 019 – 2120 - 40 Xu Y., Y Tao, L S Cheung, C Fan, L Q Chen, S Xu, K Perry, W B Frommer and L Feng (2014) Structures of bacterial homologues of SWEET transporters in two distinct conformations Nature 515:448–452 Doi: 10.1038/nature13670 41 Yang J., D Luo, B Yang, W B Frommer and J S Eom (2018) SWEET11 and 15 as key players in seed filling in rice New Phytol 218(2): 604 – 615 Doi: 10.1111/nph.15004 42 Yuan M , S Wang (2013) Rice MtN3/saliva/SWEET family genes and their homologs in cellular organisms Molecular Plant 6(3): 665 - 674 Doi: 10.1093/mp/sst035 43 Zou C., A Chen, L Xiao, H M Muller, P Ache, G Haberer, Me Zhang, W Jia, P Deng, R Huang, D Lang, F Li, D Zhan, X Wu, H Zhang, J Bohm, R Liu, S Shabala, R Hedrich, J K Zhu and H Zhang (2017) A high-quality genome assembly of quinoa provides 50 insights into the molecular basis of salt bladder-based salinity tolerance and the exceptional nutritional value Cell Research (2017) 27: - Doi: 10.1038/cr.2017.124 Tài liệu Internet Caroty (2017) Hạt diêm mạch: Thành phần dinh dưỡng lợi ích sức khỏe Truy cập ngày 30/12/2020 tại http://caroty.com/hat-diem-mach-thanh-phan-dinh-duong-vanhung-loi-ich-doi-voi-suc-khoe/ FAO - Tổ chức Nông nghiệp Thực phẩm Liên Hợp Quốc (2019) Truy cập ngày 30/12/2020 tại http://www.fao.org/faostat/en/#search/quinoa Ngọc Minh (2011) Tính tuyệt vời hạt Diêm mạch Quinoa Truy cập ngày 29/12/2020 tại http://atoanmt.ucoz.com/forum/98-2548-1 51 52 NGHIÊN CỨU NHÓM GEN QUY ĐỊNH PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG SUCROSE Ở CÂY DIÊM MẠCH (Chenopodium quinoa) BẰNG CÔNG CỤ TIN SINH HỌC DỮ LIỆU LỚN Tạ Hồng Lĩnh1, Chu Đức Hà2, Nguyễn Thị Ngọc Ánh3, Bùi Thị Thu Hương3, Vũ Khánh Linh2,4, Nguyễn Văn Lộc3, Trần Thị Phương Liên5, Phạm Xuân Hội2, Lê Thị Ngọc Quỳnh6 Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam; Viện Di truyền Nông nghiệp Học viện Nông nghiệp Việt Nam; Đại học Gonzaga, Hoa Kỳ Đại học Sư phạm Hà Nội 2; Đại học Thủy lợi TÓM TẮT Diêm mạch (Chenopodium quinoa) đối tượng trờng có giá trị kinh tế cao trờng trọt phổ biến giới Tuy nhiên, hiểu biết chế thích nghi diêm mạch còn hạn chế thông tin di truyền loài ghi nhận gần Trong nghiên cứu này, họ protein vận chuyển đường sucrose, SWEET (Sugar Will Eventually be Exported Transporter), tìm hiểu ở diêm mạch thông qua công cụ phân tích tin sinh học liệu lớn Kết xác định 29 gen CqSWEET hệ gen diêm mạch Trong đó, phần lớn họ gen CqSWEET chứa năm sáu exon, tương tự họ SWEET ở loài thực vật khác Đánh giá liệu biểu cho thấy gen CqSWEET có biểu đa dạng tại phận chính Đáng ý, CqSWEET09 20 có biểu đặc thù tại hoa Kết nghiên cứu cung cấp dẫn liệu khoa học cho việc tìm hiểu vai trò họ CqSWEET liên quan đến tính chống chịu bất lợi ở diêm mạch Từ khóa: Chenopodium quinoa, diêm mạch, liệu lớn, SWEET, tin sinh học I ĐẶT VẤN ĐỀ Đáp ứng đa yếu tố ngoại cảnh bất lợi (stress phi sinh học stress sinh học) mục tiêu nhà chọn tạo giống Rất nhiều báo cáo ghi nhận phản ứng trồng chịu tác động yếu tố bất lợi thông qua chế tích lũy đường sucrose tại vị trí tổn thương (Chandran, 2015) Quá trình vận chuyển đường sucrose diễn thực vật đến 53 biết đến với vai trò nhóm SWEET ('Sugar Will Eventually be Exported Transporter) (Chen, 2014) Vì vậy, nghiên cứu nhóm SWEET cung cấp sở khoa học quan trọng phục vụ cho công tác chọn tạo giống trồng chống chịu đa yếu tố bất lợi Đến nay, nghiên cứu họ SWEET thu hút quan tâm toàn giới Cụ thể, họ SWEET tìm hiểu số đối tượng trồng quan trọng, lúa gạo (Oryza sativa) (Yuan and Wang, 2013), đậu tương (Glycine max) (Patil et al., 2015) sắn (Manihot esculenta) (Chu Đức Hà ctv., 2018a), đậu gà (Cicer arietinum) (Chu Đức Hà ctv., 2018b) lúa mỳ (Triticum aestivum) (Gautam et al., 2019) Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu ghi nhận nhóm protein diêm mạch (Chenopodium quinoa), đối tượng trồng mang lại giá trị kinh tế cao, có tiềm phát triển ở Việt Nam giải mã thông tin di truyền gần (Jarvis et al., 2017) Nghiên cứu thực nhằm mô tả đặc tính nhóm SWEET ở diêm mạch Các thành viên nhóm SWEET xác định giải liệu di truyền diêm mạch Đặc điểm cấu trúc gen, trật tự xếp exon/intron gen SWEET phân tích Cuối cùng, mức độ biểu gen tại số quan/bộ phận diêm mạch khai thác bằng công cụ phân tích liệu lớn II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Dữ liệu nghiên cứu Hệ gen, hệ protein, hệ phiên mã tham chiếu giống diêm mạch C quinoa Willd (accession PI614886) ghi nhận nghiên cứu gần (Jarvis et al., 2017) khai thác sở liệu Phytozome (https://phytozomenext.jgi.doe.gov/) NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/) Dữ liệu nhóm OsSWEET ở lúa gạo (Yuan and Wang, 2013), GmSWEET ở đậu tương (Patil et al., 2015), MeSWEET ở sắn (Chu Đức Hà ctv., 2018a), CaSWEET ở đậu gà (Chu Đức Hà ctv., 2018b) TaSWEET ở lúa mỳ (Gautam et al., 2019) thu thập làm đối chứng để tìm kiếm CqSWEET ở diêm mạch 2.2 Phương pháp nghiên cứu 54 - Phương pháp xác định nhóm SWEET liệu diêm mạch: Trình tự OsSWEET (Yuan and Wang, 2013), GmSWEET (Patil et al., 2015), MeSWEET (Chu Đức Hà ctv., 2018a), CaSWEET (Chu Đức Hà ctv., 2018b) TaSWEET (Gautam et al., 2019) lựa chọn để sàng lọc hệ protein diêm mạch (BioProject: PRJNA394242) (Jarvis et al., 2017) bằng cơng cụ BlastP nhằm tìm kiếm tất protein tương đồng Các protein ứng viên kiểm tra có mặt vùng bảo thủ PF03083 đặc trưng cho SWEET ở thực vật (Chen, 2014) bằng Pfam (https://pfam.xfam.org/) - Phương pháp định danh giải nhóm SWEET hệ tham chiếu diêm mạch: Các trình tự protein ứng viên truy vấn giao diện NCBI để rà sốt thơng tin giải theo mô tả nghiên cứu trước (Chu Đức Hà ctv., 2018a) Trong đó, số thơng tin mã định danh, mã ARN, mã protein, mã gen, vị trí locus gen trình tự đoạn mã hóa khai thác cho phân tích - Phương pháp phân tích cấu trúc gen SWEET ở diêm mạch: Trình tự đoạn mã hóa gen SWEET ở diêm mạch phân tích công cụ GSDS (http://gsds.gao-lab.org/index.php) để đưa cấu trúc gen (trật tự exon/intron) Các bước tiến hành thực theo mô tả nghiên cứu trước (Chu Đức Hà ctv., 2018b) - Phương pháp xây dựng sơ đờ hình cầy nhóm SWEET ở diêm mạch: Trình tự protein SWEET ở diêm mạch trình tự tương đờng thiết lập sơ đờ hình bằng phần mềm MEGA (Kumar et al., 2016) Trong đó, phương pháp trình tự thực theo thuật tốn Neighbor-Joining với giá trị bootstrap 1000, tương tự nghiên cứu gần (Gautam et al., 2019) - Phương pháp khai thác liệu biểu gen SWEET ở diêm mạch: Dữ liệu RNA-Seq hai giống diêm mạch hoa trắng hoa vàng (GSE139174) khai thác từ GEO NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/) Trong đó, mức độ biểu gen SWEET tại mô hoa phân tích theo giá trị FPKM (fragments per kilobase of exon model per million reads mapped) bằng thuật tốn GEOMEAN mơ hình hóa bằng ngơn ngữ R (Liao et al., 2019) 2.3 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 55 Nghiên cứu thực từ tháng đến tháng năm 2020 Các phân tích xử lý tại Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam, Viện Di truyền Nông nghiệp, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, Đại học Sư phạm Hà Nội Đại học Thủy lợi III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Xác định và định danh nhóm gen CqSWEET hệ gen diêm mạch Để xác định nhóm SWEET liệu diêm mạch, công cụ BlastP Pfam sử dụng nhằm tìm kiếm tất protein ứng viên hệ protein diêm mạch có vùng bảo thủ PF03083, đặc trưng cho SWEET ở thực vật (Chen, 2014) Kết xác định tổng số 29 protein SWEET (Bảng 1) Theo đó, protein vận chuyển đường sucrose tìm thấy đặt tên từ CqSWEET01 - CqSWEET29 với tiêu chí, 'Cq' viết tắt cho tên khoa học loài (C quinoa), 'SWEET' đại diện cho họ protein vận chuyển đường sucrose (Chen, 2014), số thứ tự xếp dựa vào vị trí locus gen (Bảng 1) Thông tin giải, gồm mã định danh, mã ARN, mã protein, mã gen vị trí locus gen CqSWEET mô tả tại Bảng Bảng Thông tin họ protein vận chuyển sucrose CqSWEET ở diêm mạch TT CqSWEET Mã định danh Mã ARN Mã protein Mã gen Vị trí locus CqSWEET01 AUR62028877-RA XM_021867347.1 XP_021723039.1 110690498 LOC110690498 CqSWEET02 AUR62021497-RA XM_021867966.1 XP_021723658.1 110691029 LOC110691029 CqSWEET03 AUR62013947-RA XM_021871240.1 XP_021726932.1 110694081 LOC110694081 CqSWEET04 AUR62019341-RA XM_021873337.1 XP_021729029.1 110696068 LOC110696068 CqSWEET05 AUR62034634-RA XM_021875235.1 XP_021730927.1 110697836 LOC110697836 CqSWEET06 AUR62008229-RA XM_021878451.1 XP_021734143.1 110700868 LOC110700868 CqSWEET07 AUR62034815-RA XM_021881736.1 XP_021737428.1 110703936 LOC110703936 CqSWEET08 AUR62034816-RA XM_021881739.1 XP_021737431.1 110703940 LOC110703940 CqSWEET09 AUR62022713-RA XM_021884431.1 XP_021740123.1 110706483 LOC110706483 10 CqSWEET10 AUR62032012-RA XM_021885509.1 XP_021741201.1 110707497 LOC110707497 11 CqSWEET11 AUR62005221-RA XM_021886898.1 XP_021742590.1 110708701 LOC110708701 12 CqSWEET12 AUR62005295-RA XM_021886992.1 XP_021742684.1 110708776 LOC110708776 13 CqSWEET13 AUR62036636-RA XM_021888271.1 XP_021743963.1 110710007 LOC110710007 14 CqSWEET14 AUR62005678-RA XM_021889978.1 XP_021745670.1 110711565 LOC110711565 15 CqSWEET15 AUR62004237-RA XM_021892737.1 XP_021748429.1 110714244 LOC110714244 16 CqSWEET16 AUR62014003-RA XM_021892738.1 XP_021748430.1 110714245 LOC110714245 17 CqSWEET17 AUR62013611-RA XM_021900536.1 XP_021756228.1 110721400 LOC110721400 18 CqSWEET18 AUR62019880-RA XM_021901835.1 XP_021757527.1 110722571 LOC110722571 19 CqSWEET19 AUR62019881-RA XM_021902021.1 XP_021757713.1 110722735 LOC110722735 56 20 CqSWEET20 AUR62013480-RA XM_021905254.1 XP_021760946.1 110725786 LOC110725786 21 CqSWEET21 AUR62006148-RA XM_021908920.1 XP_021764612.1 110729202 LOC110729202 22 CqSWEET22 AUR62022657-RA XM_021911499.1 XP_021767191.1 110731629 LOC110731629 23 CqSWEET23 AUR62007017-RA XM_021912179.1 XP_021767871.1 110732264 LOC110732264 24 CqSWEET24 AUR62018089-RA XM_021915140.1 XP_021770832.1 110735017 LOC110735017 25 CqSWEET25 AUR62000659-RA XM_021917059.1 XP_021772751.1 110736758 LOC110736758 26 CqSWEET26 AUR62000743-RA XM_021917150.1 XP_021772842.1 110736832 LOC110736832 27 CqSWEET27 AUR62019664-RA XM_021918223.1 XP_021773915.1 110737873 LOC110737873 28 CqSWEET28 AUR62029550-RA XM_021920122.1 XP_021775814.1 110739666 LOC110739666 29 CqSWEET29 AUR62029552-RA XM_021920123.1 XP_021775815.1 110739667 LOC110739667 Trước đó, họ SWEET ghi nhận nhiều đối tượng trồng khác Trên số mầm, số lượng thành viên họ SWEET dao động từ 16 (ở loài Phalaenopsis equestris) đến 108 (ở lúa mỳ) (Gautam et al., 2019) (Hình 1) Trong đó, số loại hai mầm, họ SWEET có số lượng thành viên tương đối đa dạng, từ ít, ở Camellia sinensis (13), Litchi chinensis (16), Cucumis sativus (17) Pyrus bretschneideri (18), trung bình, ở sắn (28) (Chu Đức Hà ctv., 2018a), Brassica oleracea (30) B rapa (32), đến nhiều, ở đậu tương (52) (Patil et al., 2015), Gossypium hirsutum (55) B napus (68) (Hình 1) Các kết cho thấy họ SWEET ở loài thực vật đa dạng, với số lượng thành viên phong phú, khơng phụ thuộc vào lồi hệ gen loài Để sâu nữa, cấu trúc gen CqSWEET tìm hiểu đối chiếu với loài khác Hình Số lượng gen SWEET ở lồi thực vật 3.2 Phân tích cấu trúc đặc trưng nhóm gen CqSWEET diêm mạch Để tìm hiểu cấu trúc gen CqSWEET, số lượng exon/intron phân tích dựa hỗ trợ GSDS Kết cho thấy họ gen CqSWEET có cấu trúc tương đối đa dạng kích thước trật tự exon/intron (Hình 2) Cụ thể, số lượng exon họ CqSWEET dao động từ (CqSWEET02) đến chín (CqSWEET27) (Hình 2) Đáng ý, phần lớn gen 57 CqSWEET có năm (8/29 gen) sáu exon (12/29 gen) (Hình 2) Kết ghi nhận ở họ SWEET ở loài thực vật khác, lúa gạo (Yuan and Wang, 2013), đậu tương (Patil et al., 2015) sắn (Chu Đức Hà ctv., 2018a), đậu gà (Chu Đức Hà ctv., 2018b) lúa mỳ (Gautam et al., 2019) Có thể thấy rằng, gen SWEET ở lồi thực vật nhìn chung chứa năm sáu exon Hình Trật tự exon/intron họ gen CqSWEET ở diêm mạch Bên cạnh đó, mối quan hệ CqSWEET thiết lập dựa vào sơ đờ hình Neighbor-Joining MEGA (Kumar et al., 2016) Kết cho thấy họ CqSWEET chia làm hai nhóm lớn, gờm bốn phân nhóm phụ (Hình 2) Điều hồn tồn tương đờng với nghiên cứu trước tác giả ghi nhận phân nhóm tương tự họ SWEETT ở loài thực vật khác, đậu tương (Patil et al., 2015), sắn (Chu Đức Hà ctv., 2018a), đậu gà (Chu Đức Hà ctv., 2018b) lúa mỳ (Gautam et al., 2019) Trong đó, protein CqSWEET xếp cùng nhánh có tương đờng cao cấu trúc (kích thước số lượng exon) gen mã hóa (Hình 2) Sự tương đờng cấu trúc số gen CqSWEET đặt giả thuyết chức gen trình tiến hóa diêm mạch 3.3 Đánh giá liệu nhóm gen CqSWEET diêm mạch Để tìm hiểu mức độ phiên mã họ gen CqSWEET tại mô, liệu biểu tại hoa hai giống diêm mạch hoa trắng hoa vàng khai thác từ GEO NCBI Kết phân tích hệ phiên mã với dung lượng ~95,37 Gb cho thấy họ gen CqSWEET có biểu đa dạng đặc thù tại hoa (Hình 3) Cụ thể, bảy gen, CqSWEET01, 02, 06, 11, 12, 21 26, có biểu yếu ngưỡng phát tại hai mô, mức độ phiên mã 58 sáu gen, CqSWEET04, 10, 14, 17, 18 27 có xu hướng biểu mạnh ở hoa và/hoặc (Hình 3) Hình Mức độ biểu họ gen CqSWEET diêm mạch Đáng ý, số gen CqSWEET có biểu mạnh đặc thù tại hoa và/hoặc ở hai giống quinoa (Hình 3) Trong đó, năm gen, CqSWEET08, 19, 22, 28 29 có biểu đặc thù tại hoa, chứng tỏ nhóm gen tham gia vào trình sinh lý xảy đặc trưng tại hoa (Hình 3) Đặc biệt, CqSWEET09 20, tăng cường biểu ở hoa hai giống quinoa, chứng tỏ hai gen đóng vai trò quan trọng tại hoa Tóm lại, việc khai thác liệu biểu bằng công cụ tin sinh học liệu lớn cung cấp giả thuyết khoa học quan trọng nhằm định hướng cho nghiên cứu chức gen CqSWEET ở diêm mạch IV KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1 Kết luận Tổng số 29 thành viên họ CqSWEET xác định giải đối tượng diêm mạch Đối chiếu với nghiên cứu trước cho thấy họ SWEET ở lồi thực vật có số lượng thành viên đa dạng không phụ thuộc vào lồi Họ gen CqSWEET có cấu trúc tương đối đa dạng kích thước Đa số gen CqSWEET chứa năm (8/29 gen) sáu exon (12/29 gen), tương tự ở lồi thực vật khác Sơ đờ hình cho thấy họ CqSWEET chia làm hai nhóm, gờm bốn phân nhóm chính 59 Họ gen CqSWEET có mức độ biểu tương đối đa dạng tại mẫu hoa điều kiện thường Trong đó, CqSWEET09 20 ghi nhận hai gen có biểu đặc thù tại hoa 4.2 Đề nghị Nghiên cứu tiếp tục nhằm phân tích đặc tính protein CqSWEET tượng lặp gen xảy họ CqSWEET, từ cung cấp dẫn liệu đáng tin cậy cho nghiên cứu chức gen bằng thực nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO Chu Đức Hà, Phạm Thị Quỳnh, Phạm Thị Lý Thu, Nguyễn Văn Cương, Lê Tiến Dũng, 2018a Xác định họ gen mã hóa protein vận chuyển SWEET sắn (Manihot esculenta Crantz) Tạp chí Khoa học Đại học Sư phạm Hà Nội, 63(3): 140-149 Chu Đức Hà, Phùng Thị Vượng, Chu Thị Hồng, Phạm Thị Lý Thu, Phạm Phương Thu, Trần Thị Phương Liên, La Việt Hồng, 2018b Định danh phân tích cấu trúc họ gen mã hóa protein vận chuyển đường sucrose ở đậu gà (Cicer arietinum) Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Thái Nguyên, 194(01): 133-138 Chandran, D., 2015 Co-option of developmentally regulated plant SWEET transporters for pathogen nutrition and abiotic stress tolerance IUBMB Life, 67(7): 461-471 Chen, L., 2014 SWEET sugar transporters for phloem transport and pathogen nutrition New Phytol, 201(4): 1150-1155 Gautam, T., Saripalli, G., Gahlaut, V., Kumar, A., Sharma, P., Balyan, H., Gupta, P., 2019 Further studies on sugar transporter (SWEET) genes in wheat (Triticum aestivum L.) Mol Biol Rep, 46(2): 2327-2353 Jarvis, D., Ho, Y., Lightfoot, D., Schmöckel, S., Li, B., Borm, T., Ohyanagi, H., Mineta, K., Michell, C., Saber, N., Kharbatia, N., Rupper, R., Sharp, A., Dally, N., Boughton, B., Woo, Y., Gao, G., Schijlen, E., Guo, X., Momin, A., Negrão, S., Gehring, C., Roessner, U., Jung, C., Murphy, K., Arold, S T., Gojobori, T., Linden, C., Loo, E., Jellen, E., Maughan, P., Tester, M., 2017 The genome of Chenopodium quinoa Nat, 542(7641): 307-312 60 Kumar, S., Stecher, G., Tamura, K., 2016 MEGA7: Molecular evolutionary genetics analysis version 7.0 for bigger datasets Mol Biol Evol, 33(7): 1870-1874 Liao, Y., Smyth, G K., Shi, W., 2019 The R package Rsubread is easier, faster, cheaper and better for alignment and quantification of RNA sequencing reads Nucleic Acids Res, 47(8): e47 Patil, G., Valliyodan, B., Deshmukh, R., Prince, S., Nicander, B., Zhao, M., Sonah, H., Song, L., Lin, L., Chaudhary, J., Liu, Y., Joshi, T., Xu, D., Nguyen, H T., 2015 Soybean (Glycine max) SWEET gene family: insights through comparative genomics, transcriptome profiling and whole genome re-sequence analysis BMC Genomics, 16: 520 Yuan, M., Wang, S., 2013 Rice MtN3/saliva/SWEET family genes and their homologs in cellular organisms Mol Plant, 6(3): 665-674 Study on the sucrose transporter gene family in quinoa (Chenopodium quinoa) by the big data analytic computational approaches Ta Hong Linh, Chu Duc Ha, Nguyen Thi Ngoc Anh, Bui Thi Thu Huong, Vu Khanh Linh, Nguyen Van Loc, Tran Thi Phuong Lien, Pham Xuan Hoi, Le Thi Ngoc Quynh Abstract Quinoa (Chenopodium quinoa) has been regarded as one of the highly-valued crops that are cultivated widely in the world However, the mechanism of the adaptation in the quinoa plant has been still lacking, even the genetic information of this specie was recently published In this study, the sucrose transporter, namely 'SWEET' (Sugar Will Eventually be Exported Transporter) has been identified in the quinoa genome by the big data computational analysis As a result, a total of 29 CqSWEET genes has been reported in the quinoa genome Among them, the majority of CqSWEET genes contain five or six exons, as confirmed in other plant species Our expression analysis indicated that the CqSWEET genes had differentially expressed in the major organs Interestingly, CqSWEET09 and 20 have noted to exclusively express in both flowers and fruits Taken together, our study could provide a solid foundation for further investigation of the function of the CqSWEET genes related to the mechanism of stress response in quinoa Keywords: Chenopodium quinoa, quinoa, big data, SWEET, bioinformatics 61 Thông tin liên hệ: TS Chu Đức Hà - Viện Di truyền Nông nghiệp, email: hachu_amser@yahoo.com; ĐT: 0983 766 070 Vietnam Academy of Agricultural Sciences; Agricultural Genetics Institute; Vietnam National University of Agriculture; University of Gonzaga, USA; Hanoi Pedagogical University 2; Thuy loi University 62