The impact of Zerovalent Cobalt Nanoparticle on photosynthesis - related genes expression in soybean leaves Glycine Max (L.) Merr. (DT26)

Photosynthesis is an important physiological process in plants. It plays a crucial role in plant growth and development. In this study, we investigated the impact of zerovalent cobalt nanoparticles on the photosynthesis and expressing of gene involving in this process in leave of soybean Glycine max (L.) Merr “DT26” at different growth stages. The results showed that treatment of zerovalent cobalt nanoparticles made in Vietnam and USA (with two doses of 0.17 and 16.67 mg/kg of soybean seed) enhanced the photosynthesis of soybean by increasing the content of chlorophyll a and the ratio of Fv/Fm compared with the control (without treatment of zerovalent cobalt nanoparticles). These values tended to increase and reached the maximum value at 40 days and then decreased in at 70 days. The expression level of photosynthesis-related genes of soybean leaves also changed depending on the soybean‟s growth stage and concentration of zerovalent cobalt nanoparticles being treated. The genes psaA, Lhca, psaB, Cytb6f (belonging to photosystem I) and psbA, psbB, psbC, psbD, psbE (belonging to photosystem II) in the experimental fomulas were higher expressed than that in control group at 20 and 70 days. However, at 40 days, the expression levels of these genes were significantly different. Obtained results supplied the basis for understanding the active mechanism of the above genes to control/regulates photosynthetic activity of plants with and without the presence of zerovalent cobalt nanoparticles as well as under stress conditions.

TAP CHI SINH HOC 2019, 41(1): 141–152 DOI: 10.15625/0866-7160/v41n1.13540 THE IMPACT OF ZEROVALENT COBALT NANOPARTICLE ON PHOTOSYNTHESIS - RELATED GENES EXPRESSION IN SOYBEAN LEAVES Glycine max (L.) Merr (DT26) Luu Thi Tam1, Hoang Thi Minh Hien1, Hoang Thi Lan Anh1, Phan Hoang Tuan2, Dang Diem Hong1,3,* Institute of Biotechnology, VAST, Vietnam University of Science, University of Thai Nguyen, Thai Nguyen, Vietnam Graduate University of Science and Technology, VAST, Vietnam Received Juanuary, accepted 20 March 2019 ABSTRACT Photosynthesis is an important physiological process in plants It plays a crucial role in plant growth and development In this study, we investigated the impact of zerovalent cobalt nanoparticles on the photosynthesis and expressing of gene involving in this process in leave of soybean Glycine max (L.) Merr “DT26” at different growth stages The results showed that treatment of zerovalent cobalt nanoparticles made in Vietnam and USA (with two doses of 0.17 and 16.67 mg/kg of soybean seed) enhanced the photosynthesis of soybean by increasing the content of chlorophyll a and the ratio of Fv/Fm compared with the control (without treatment of zerovalent cobalt nanoparticles) These values tended to increase and reached the maximum value at 40 days and then decreased in at 70 days The expression level of photosynthesis-related genes of soybean leaves also changed depending on the soybean‟s growth stage and concentration of zerovalent cobalt nanoparticles being treated The genes psaA, Lhca, psaB, Cytb6f (belonging to photosystem I) and psbA, psbB, psbC, psbD, psbE (belonging to photosystem II) in the experimental fomulas were higher expressed than that in control group at 20 and 70 days However, at 40 days, the expression levels of these genes were significantly different Obtained results supplied the basis for understanding the active mechanism of the above genes to control/regulates photosynthetic activity of plants with and without the presence of zerovalent cobalt nanoparticles as well as under stress conditions Keywords: Glycine max, cobalt nanoparticles, Cytb6f, Fv/Fm, Lhca, photosynthesis, psaA, psaB, psbA-E, genes Citation: Luu Thi Tam, Hoang Thi Minh Hien, Hoang Thi Lan Anh, Phan Hoang Tuan, Dang Diem Hong, 2019 The impact of zerovalent cobalt nanoparticle on photosynthesis - related genes expression in soybean leaves Glycine max (L.) Merr (DT26) Tap chi Sinh hoc, 41(1): 141–152 https://doi.org/10.15625/0866-7160/v41n1.13540 * Corresponding author email: ddhong60vn@yahoo.com/ddhong@ibt.ac.vn ©2019 Vietnam Academy of Science and Technology (VAST) 141 TAP CHI SINH HOC 2019, 41(1): 141–152 DOI: 10.15625/0866-7160/v41n1.13540 TÁC ĐỘNG CỦA HẠT NANO COBALT HÓA TRỊ LÊN MỨC ĐỘ BIỂU HIỆN CỦA MỘT SỐ GEN CHÍNH LIÊN QUAN ĐẾN HOẠT TÍNH QUANG HỢP Ở LÁ CÂY ĐẬU TƢƠNG Glycine max (L.) Merr (DT26) Lƣu Thị Tâm1, Hoàng Thị Minh Hiền1, Hoàng Thị Lan Anh1, Phan Hoàng Tuấn2, Đặng Diễm Hồng1, 3,* Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên, Thái Nguyên, Việt Nam Học Viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam, Việt Nam Ngày nhận 8-1-2019, ngày chấp nhận 20-3-2019 TĨM TẮT Quang hợp q trình sinh lý quan trọng sở sinh trưởng phát triển thực vật Trong nghiên cứu này, đánh giá tác động hạt nano cobalt hóa trị lên quang hợp mức độ biểu gen liên quan đến quang hợp đậu tương Glycine max (L.) Merr „DT26‟ giai đoạn sinh trưởng khác Kết thu cho thấy hạt nano cobalt (với mức liều 0,17 16,67 mg/kg hạt Việt Nam Mỹ sản xuất) có tác động tích cực lên quang hợp đậu tương thông qua tăng hàm lượng chlorophyll a hiệu suất quang hóa cực đại (Fv/Fm) so với lô đối chứng Các giá trị có xu hướng tăng dần đạt giá trị cực đại thời điểm 40 ngày, sau giảm dần thời điểm 70 ngày Mức độ biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương thay đổi theo thời gian sinh trưởng nồng độ cobalt xử lý Các gen thuộc quang hệ I (psaA, Lhca, psaB), quang hệ (psbA, psbB, psbC, psbD, psbE) cytochrome B6F (Cytb6f) lơ thí nghiệm có mức độ biểu cao so với lô đối chứng thời điểm 20 70 ngày Tuy nhiên, thời điểm 40 ngày, mức độ biểu gen lại có khác biệt đáng kể Kết nghiên cứu sở để hiểu biết chức chế điều hòa gen nêu nhằm cải thiện khả quang hợp thực vật điều kiện có khơng có mặt hạt colbalt hóa trị điều kiện bất lợi Từ khóa: Glycine max, gen psaA, Lhca, psaB, Cytb6f, psbA-E, Fv/Fm, nano cobalt, quang hợp *Địa liên hệ email: ddhong60vn@yahoo.com/ddhong@ibt.ac.vn MỞ ĐẦU Đậu tương, trồng kinh tế quan trọng giới, nguồn cung cấp protein dầu thực vật chủ lực Sản lượng chất lượng đậu tương chịu ảnh hưởng nhiều điều kiện môi trường bất lợi, kể tác nhân sinh học phi sinh học Việc sử dụng phương pháp đại công nghệ nano để tăng suất đậu tương hướng tiềm Các hạt nano (sắt, đồng, mangan, kẽm, cobalt, selen… dạng oxit nó) 142 thường sử dụng chất kích thích sinh trưởng thực vật vi dinh dưỡng Ưu điểm chúng có kích thước nhỏ, diện tích bề mặt lớn, dễ hấp thu nồng độ sử dụng thấp, có khả kích hoạt trình trao đổi chất thể động thực vật Đối với họ đậu, cobalt đóng vai trò thiết yếu sinh trưởng phát triển cách điều chỉnh việc sử dụng nước giảm tốc độ thoát nước cây, đặc biệt cho hình thành nốt sần trình cố định nitơ (DalCorso et al., 2014) Nó yếu tố thiết Tác động hạt nano cobalt yếu để tổng hợp enzyme coenzyme khác vitamin B12 (cyanocobalamin), cần thiết cho dinh dưỡng người động vật (Collins & Kinsela, 2011) Gad et al (2013) công bố sản lượng đậu tương tăng 42,5% xử lý với dung dịch cobalt nồng độ 12 mg/L Cobalt chứng minh có ảnh hưởng đến tăng trưởng trao đổi chất thực vật mức độ khác tùy thuộc vào nồng độ trạng thái chúng Jayakumar (2009) suất đậu tương tăng bổ sung cobalt nồng độ thấp (50 mg cobalt/kg đất) Khi xử lý nồng độ cobalt cao (100–250 mg/ kg đất) lại làm giảm đáng kể suất đậu tương Quang hợp thực vật trình hấp thu chuyển đổi lượng ánh sáng mặt trời thành lượng liên kết hóa học tích lũy dạng hợp chất hữu nhờ máy quang hợp (Chia & He, 1999) Hiệu trình quang hợp phụ thuộc vào khả hấp thụ, vận chuyển lượng ánh sáng tâm phản ứng quang hệ II (PSII) hiệu suất chuyển đổi lượng ánh sáng mặt trời thành sinh khối trồng Một số nghiên cứu chứng minh gen liên quan với hệ thống quang hợp (quang hệ I - PSI quang hệ II - PSII) nhạy cảm với môi trường bất lợi hạn, mặn (Chaves et al., 2009), ánh sáng nhiệt độ cao (Murchie et al., 2005) Các protein liên quan đến cấu trúc chức trình quang hợp bị ức chế điều kiện môi trường bất lợi nhiệt gây (Ahsan et al., 2010) Các yếu tố mơi trường bất lợi làm chậm q trình quang hợp thực vật thông qua việc thay đổi cấu trúc lục lạp giảm hàm lượng sắc tố quang hợp Năng lượng ánh sáng hấp thụ sắc tố quang hợp chlorophyll không sử dụng hiệu hệ thống PSI PSII dẫn đến hiệu suất quang hợp thấp làm giảm suất thực vật Ở Việt Nam, số nghiên cứu ảnh hưởng hạt nano cobalt lên khả nảy mầm, kéo dài rễ, sinh trưởng, số thơng số quang hợp hoạt tính enzyme chống ơxy hóa suất đậu tương thực (Ngo et al., 2014; Trần Mỹ Linh nnk., 2018 ; Phan Hoàng Tuấn nnk., 2018a, b) Tuy nhiên, nghiên cứu biểu số gen liên quan đến quang hợp đậu tương tác động hạt nano cobalt hoàn toàn chưa thực Để góp phần lý giải tác động tích cực hạt nano cobalt lên việc tăng suất đậu tương thông qua tăng hoạt động quang hợp, tiến hành đánh giá mức độ biểu số gen mã hóa cho protein nằm trung tâm phản ứng PSI PSII, phức hợp thu nhận ánh sáng chuỗi vận chuyển điện tử mạch chuyển quang hợp psaA, psaB, psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, Cyt b6f Lhca giống đậu tương DT26 giai đoạn sinh trưởng khác điều kiện có khơng có mặt hạt nano cobalt hóa trị VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP Giống đậu tương DT26 (Glycine max (L.) Merr „DT26‟) Trung tâm Nghiên cứu Phát triển đậu đỗ, Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam cung cấp Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm tiến hành với công thức: Đối chứng (ký hiệu ĐC), xử lý nước RO; thí nghiệm-xử lý với hạt nano cobalt Việt Nam (VN) Mỹ (USA) chế tạo với liều 0,17 16,67 mg/kg hạt tương ứng với nồng độ kích thích (KTVN KTUSA) ức chế (ƯCVN ƯCUSA) mô tả chi tiết cơng bố Phan Hồng Tuấn nnk (2018a) Mỗi công thức lặp lại lần Tại thời điểm 20, 40 70 ngày sau gieo, tiến hành thu mẫu lơ đối chứng lơ thí nghiệm xử lý với hạt nano cobalt hóa trị nồng độ khác Các mẫu tươi sau thu giữ (-)20oC tiến hành thí nghiệm (Phan Hồng Tuấn nnk., 2018a) Xác định hàm lƣợng chlorophyll a đậu tƣơng Lá đậu tương non hoàn chỉnh thu thời điểm 20, 40 70 ngày sau gieo tách chiết chlorophyll Qui trình tách chiết chlorophyll mơ tả chi tiết theo cơng bố Phan Hồng Tuấn nnk (2018a) 143 Luu Thi Tam et al Đo huỳnh quang chlorophyll a hấp thụ bƣớc sóng 680 nm Huỳnh quang chlorophyll a xác định bước sóng 680 nm thuộc tâm phản ứng hệ PSII (P680 nm) máy chlorophyll fluorometer OS-30 (do hãng ADC (Anh) cung cấp) theo mô tả Nguyễn Văn Mã nnk (2013) Điều kiện đo cụ thể mơ tả cơng bố Phan Hồng Tuấn nnk (2018a) Hiệu suất lượng tử quang hóa cực đại đặc trưng cho phần lượng ánh sáng hấp thụ PSII sử dụng tối đa phản ứng quang hóa thể tỷ lệ Fv/Fm với Fv = Fm - Fo Trong đó, Fm - huỳnh quang cực đại, Fo - huỳnh quang ổn định Phƣơng pháp tách chiết RNA tổng số RNA tổng số đậu tương DT26 tách chiết kít RNAiso plus (Takara, Tokyo, Nhật Bản) theo hướng dẫn nhà sản xuất Tổng hợp cDNA từ khuôn RNA tổng số cDNA tổng hợp khn RNA sử dụng kít RevertAid First Strand cDNA (Singarpore), thực theo hướng dẫn nhà sản xuất Lượng RNA làm khuôn mẫu cho phản ứng tổng hợp cDNA µg Bảng Trình tự cặp mồi đặc hiệu để nhân gen biểu liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương DT26 [Nguồn: Teixeira et al (2016)] TT Gen ID gen Locus tag Kích thước dự đốn (bp) Lhca 100815789 Glyma 14g008000 155 psaA 3989266 GlmaCp011 149 psaB 3989267 GlmaCp012 180 psbA 3989259 GlmaCp001 184 psbB 3989323 GlmaCp047 101 psbC 3989283 GlmaCp015 119 psbD 3989284 GlmaCp016 130 psbE 3989313 GlmaCp037 105 Cyt b6f 3989327 GlmaCp051 169 10 β-actin CA937380 Glyma 18g 52780 152 RT-PCR bán định lƣợng khuếch đại gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tƣơng DT26 RT-PCR (Reverse transcription polymerase chain reaction) bán định lượng thực với khuôn cDNA tổng hợp từ RNA mẫu đậu tương thu công thức đối chứng thí nghiệm 144 Mồi xi (F) Mồi ngược (R) ACCCATGGCACAAC AACA AGCAACTCCCTTTT TCACC TGGTGTTTATCAGT GGTGGT GCAAACCTATAGCC GCAGA CCCTCTGACCCTGT TCTT CCTAGTAGTTTGCC GGAT AACGAAGTCATAGG CACG AATTCCTTGTCGGC TCTCTG CGTCCCTCTGTTGT CATGT GATCTTGCTGGTCG TGATCT ACAGCACAGCGATAC CAAC GACCCGCTATCAAGA AAAGAAT TGATGATTGAGGCGG GATT GGATGGTTTGGTGTT TTGATGA ATATTCCAACCGCCC CAC CACGTGGAAACGCTC TTTA CTTTGGGGTTGCTTTT TCC TCCCTATTCATTGCAG GTTGG GGAGAGGTGATGGTG AAAAGTT GTCTCCAACTCTTGCT CATAGTC thời điểm 20, 40 70 ngày Các cặp mồi đặc hiệu cho gen liên quan đến hoạt tính quang hợp psbA, psbB, psbC, psbD, psbE, psaA, psaB, Cytb6f Lhca trình bày bảng Phản ứng PCR thực với tổng thể tích 20 L bao gồm L cDNA, 10 L Master Mix (10X); L mồi F (10 pmol), L mồi R (10 pmol), μL H2O Chu trình nhiệt thực Tác động hạt nano cobalt sau: Bước 1: 95oC, phút; bước 2: 95oC, 30 giây; bước 3: 49oC, 30 giây (đối với gen psbA, psbC, psb D, psbE, psaA, psaB) 52oC, 30 giây (đối với gen psbB, Cyt b6f, Lhca); bước 4: 72oC, phút 30 giây; bước 5: Lặp lại 35 chu kỳ từ bước đến bước 4; bước 6: 72oC, phút, bước 7: Giữ sản phẩm 15oC sử dụng Sử dụng β-actin gen tham chiếu để chuẩn hóa số liệu Điều kiện nhân gen β-actin tương tự với gen nêu Sản phẩm PCR kiểm tra điện di gel agarose 2%, nhuộm với ethidium bromide, sau chụp ảnh xử lý phần mềm phân tích Gel pro32 Analyzer Xử lý số liệu Mức độ biểu gen đánh giá thơng qua diện tích độ đậm nhạt băng sau điện di phần mềm phân tích Gel pro32 Analyzer để định lượng gián tiếp hàm lượng băng Tỷ lệ độ đậm băng gen psaA, psaB, psbA-E, Cytb6f Lhca thời điểm cơng thức thí nghiệm chuẩn hóa với gen β-actin tương ứng so sánh với công thức đối chứng (không xử lý hạt nano cobalt) Số liệu đươc trình bày MEAN  SEM Các kết thu được xử lý phần mềm Excel Sự sai khác cơng thức thí nghiệm đánh giá phân tích ANOVA yếu tố với mức ý nghĩa P < 0,05 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hàm lƣợng chlorophyll a hiệu suất quang hóa cực đại (Fv/Fm) đậu tƣơng giai đoạn sinh trƣởng khác dƣới tác động hạt nano cobalt hóa trị Tốc độ quang hợp thực vật liên quan trực tiếp đến mật độ kích thước ăng ten thu nhận ánh sáng, cụ thể phân tử sắc tố chlorophyll (Shao et al., 2014) Khi phân tử chlorophyll a hấp thụ lượng ánh sáng, chúng chuyển từ trạng thái lên trạng thái kích thích Phân tử chlorophyll a trạng thái kích thích lượng số trình nhiệt, phát huỳnh quang thực phản ứng quang hóa Tổng số phản ứng nêu khơng đổi Nếu coi q trình nhiệt điều kiện thí nghiệm hiệu quang hợp thực vật đánh giá thông qua huỳnh quang chlorophyll a Kết thay đổi hàm lượng chlorophyll a tỷ lệ Fv/Fm đậu tương giai đoạn khác tác động hạt nano cobalt trình bày hình Hình Hình1.1.Sự Sựthay thayđổi đổihàm hàmlượng lượngchlorophyll chlorophyllaa (A) (A) và tỷ tỷ lệ lệ Fv/Fm Fv/Fm (B) (B) của lá cây đậu đậu tương tương DT26 ở trưởng cókhơng khơng có mặt cobalt có giaigiai đoạnđoạn sinhsinh trưởng kháckhác nhaunhau khi có có mặt hạt hạt nanonano cobalt DấuDấu “*” “*” chỉ sai sai có có ý nghĩa thống kê lơ thí nghiệm so với lơ ĐC (P < 0,05) có ý nghĩa thống kê lơ thí nghiệm so với lô ĐC (P < 0,05) Kết hình 1A cho thấy việc xử lý hạt đậu tương DT26 với dung dịch hạt nano cobalt Việt Nam Mỹ có tác động tích cực lên quang hợp đậu tương thơng qua tăng hàm lượng chlorophyll a so với lô đối chứng Hàm lượng chlorophyll a 145 Luu Thi Tam et al có xu hướng tăng dần đạt cực đại thời điểm 40 ngày sau gieo Sau đó, hàm lượng giảm mạnh đậu tương chuyển sang giai đoạn sinh trưởng sinh thực (70 ngày sau gieo) Khơng có sai khác có ý nghĩa thống kê sinh học hàm lượng chlorophyll a lô ĐC thí nghiệm thời điểm 20 70 ngày (P > 0,05) Tuy nhiên, khác biệt có ý nghĩa thống kê sinh học hàm lượng chlorophyll a lô xử lý với hạt nano cobalt so với lô ĐC thể rõ rệt thời điểm 40 ngày (P < 0,05) Điều việc xử lý hạt cobalt giúp hỗ trợ trình tổng hợp chlorophyll hạn chế phân hủy tối (Abdul Jaleel et al., 1999) Kết tương đồng với công bố Ngo et al (2014) cho thấy hàm lượng chlorophyll đậu tương DT51 tăng khoảng 10% so với đối chứng hạt xử lý với dung dịch hạt nano cobalt nồng độ 0,08 g/ha Tỷ lệ Fv/Fm tham số huỳnh quang chlorophyll quan trọng, thể hiệu sử dụng tối đa lượng ánh sáng hấp thụ sắc tố phản ứng quang hóa PSI II sử dụng thị để phát sớm thay đổi cấu trúc chức máy quang hợp thực vật điều kiện sinh lý bình thường điều kiện bất lợi (Qiu et al., 2013) Sự thay đổi tỷ lệ Fv/Fm đậu tương giai đoạn sinh trưởng khác tác động hạt nano cobalt hình 1B Xu hướng thay đổi hiệu suất quang hóa cực đại tương tự hàm lượng chlorophyll Sự sai khác có ý nghĩa thống kê so sánh lô ĐC lô xử lý hạt nano cobalt nồng độ 0,17 mg/kg hạt (P < 0,05) thời điểm 40 ngày sau gieo Kết cho thấy xử lý hạt đậu tương với dung dịch nano cobalt giúp việc sử dụng lượng ánh sáng phản ứng quang hóa PSII đạt hiệu cao dẫn tới tăng tỷ lệ Fv/Fm Mức độ biểu gen liên quan đến quang hợp đậu tƣơng DT26 dƣới tác động hạt nano cobalt Các yếu tố môi trường bất lợi ảnh hưởng lớn đến quang hợp Vì vậy, thực vật ln có chế tự bảo vệ cách thay đổi 146 mức độ biểu gen liên quan đến hoạt động PSI PSII để bảo vệ máy quang hợp, làm giảm nhẹ ảnh hưởng yếu tố môi trường gây ức chế quang hợp cân nội môi tế bào (Wang et al., 2014) Lõi PSII gồm protein D1 D2 (được mã hóa gen psbA psbD) liên kết thành heterodimer nằm trung tâm phản ứng PSII ký hiệu phân tử huỳnh quang P680, chất nhận điện tử sơ cấp mạch vận chuyển điện tử quang hợp Chúng với số phân tử sắc tố chlorophyll a, β-caroten sắt…, tạo nên tâm phản ứng PSII Tất kết nối thành mạch vận chuyển điện tử [Mn] 4, TyrZ, pheophytin a, QA, QB nonheme Trong đó, loại protein khác (được mã hóa hai gen psbB psbC) liên kết mảng với phân tử chlorophyll β-carotene dạng phức hợp thu nhận ánh sáng, CP47 CP43 (Barber et al., 1997) Sự thay đổi mức biểu gen ảnh hưởng đến chức quang hợp hiệu suất lượng tử quang hợp thay đổi hoạt tính quang hợp (Luciński & Jackowski, 2006) PSI (theo sau PSII chuỗi vận chuyển điện tử quang hợp), chất nhận điện tử từ phức hợp cytochrom b6f chuyển chúng đến ferredoxin để sản xuất phân tử có hiệu cao NADPH Sau đó, chúng tiếp tục sử dụng phản ứng tối để cố định CO2 theo chu trình Calvin Benson Các thành phần PSI mã hóa gen lục lạp gen nhân psaA, psaB, Lhca, có chức thu nhận ánh sáng vận chuyển lượng hấp thụ tới lõi PS II (Berry et al., 2013) Kết điện di sản phẩm PCR nhân gen psaA-B, psbA-E, Cytb6f Lhca mã hóa cho protein liên quan đến máy quang hợp đậu tương DT26 hình Mức độ biểu gen nêu đậu tương DT26 giai đoạn sinh trưởng khác điều kiện có khơng có mặt hạt nano cobalt hóa trị bảng hình Kết bảng hình cho thấy xử lý hạt nano cobalt Việt Nam Mỹ nồng độ kích thích (0,17 mg/kg hạt) Tác động hạt nano cobalt ức chế (16,67 mg/kg hạt), gen liên quan đến hoạt tính quang hợp (thuộc PSI II) có xu hướng tăng mức độ biểu (với mức tăng từ đến 1,7 lần tùy gen) so với lô ĐC giai đoạn 20 70 ngày Tại thời điểm 20 ngày, sai khác có ý nghĩa thống kê sinh học mức độ biểu gen lô xử lý hạt cobalt nồng độ 16,67 mg/kg hạt so với ĐC (P< 0,05) Tuy nhiên, nồng độ xử lý 0,17 mg/kg hạt mức độ sai khác khơng có ý nghĩa thống kê (P> 0,05) Tại thời điểm 70 ngày, việc xử lý hạt nano cobalt làm tăng biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương (P< 0,05) Hình điện di di nhân nhân gen gen psaA-B, psaA-B, psb psbA-E, Cytb6f và Lhca Lhca mã mã hóa hóacho Hình 2 Ảnh Ảnh điện A-E, Cytb6f cho protein liên quan đến máy quang hợp đậu tương DT26 protein liênGiếng quan đến bộtương máy quang hợpmẫu: đậu tương DT26 1–17 ứng với Giếng – 17 tương ứng với mẫu: 1: ĐC- 20 ngày 6: ĐC- 40 ngày 12: ĐC- 70 ngày 1:2:ĐC20 ngày 6: ĐC40ngày ngày ĐC70 ngày KTVN - 20 ngày 8: KTVN - 40 14: KTVN12: - 70 ngày KTUSA 20 ngày 9: KTUSA - 40 ngày 70 ngày 2:3:KTVN - 20- ngày 8: KTVN - 40 ngày 15: KTUSA 14:- KTVN - 70 ngày 4: ƯCVN 20 ngày 10: ƯCVN 40 ngày 16: ƯCVN 70 ngày 3: KTUSA - 20 ngày 9: KTUSA - 40 ngày 15: KTUSA - 70 ngày 5: ƯCUSA- 20 ngày 11: ƯCUSA- 40 ngày 17: ƯCUSA- 70 ngày 4: ƯCVN - 20 ngày 10: ƯCVN - 40 ngày 16: ƯCVN - 70 ngày 5: ƯCUSA- 20 ngày 11: ƯCUSA- 40 ngày 17: ƯCUSA- 70 ngày Ở giai đoạn 40 ngày, thời điểm quang gen psbA (mã hóa cho protein D1 PSII hợp đậu tương đạt cực đại, biểu có chức vận chuyển điện tử) có xu gen có sai khác rõ rệt Đối hướng biểu tăng lô xử lý hạt nano với gen Lhca, psaA (thuộc PSI, có chức cobalt so với lơ ĐC (ngoại trừ lô xử lý hạt thu nhận ánh sáng vận chuyển điện nano cobalt Mỹ nồng độ 16,67 mg/kg hạt) tử), gen cytb6f (thuộc phức hợp cytochrome) Như vậy, thời điểm quang hợp tăng 147 Luu Thi Tam et al mức độ biểu gen mã hóa cho protein liên kết với sắc tố để thu nhận ánh sáng PSI tăng, tức trình vận chuyển điện tử PSI tăng cường Ngược lại, gen psaB (thuộc PSI, có chức vận chuyển điện tử mạch vận chuyển điện tử quang hợp), gen psbB-E (mã hóa cho protein tâm phản ứng PSII, có chức vận chuyển điện tử mạch vận chuyển đện tử quang hợp) lại có mức độ biểu gen giảm so với lơ ĐC Kết tốc độ vận chuyển điện tử protein mã hóa gen psaB, psbBE, tham gia vào phản ứng sáng q trình quang hợp có xu hướng giảm hoạt tính quang hợp tăng Hình Mức độ biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương DT26 cácMức giai độ đoạn khác cóliên khơng có mặt hạt nano cobalt Dấu “*” sai Hìnhở biểu củakhi cáckhi gen có có ý nghĩa thống kê lơ thí nghiệm so với lơ ĐC (P < 0,05) quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương DT26 giai đoạn khác 148khi có khơng có mặt hạt nano cobalt Dấu “*” sai có có ý nghĩa thống kê lơ thí nghiệm so với lơ ĐC (P < 0,05) Tác động hạt nano cobalt Bảng Mức độ biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương DT26 giai đoạn sinh trưởng khác Mức độ biểu gen Gen Mã hóa protein Chức 20 ngày 40 ngày 70 ngày Quang hệ I psaA Apoprotein A1 Vận chuyển điện tử + + + psaB Apoprotein A2 Vận chuyển điện tử + + Lhca Protein gắn với sắc tố Thu nhận ánh sáng + + + Quang hệ II psbA Protein D1 Vận chuyển điện tử + + + Protein trung tâm psbB nt + + phản ứng CP47 Protein trung tâm psbC nt + + phản ứng CP43 psbD Protein D2 nt + + Tiểu phần α psbE nt + + Cytochrome b559 Cyt6f Protein PET A nt + + + Ghi chú: nt: Như trên; dấu (-): Giảm mức độ biểu gen; dấu (+): Tăng mức độ biểu gen cơng thức thí nghiệm so với cơng thức đối chứng PET: Photosynthetic electron transport - vận chuyển điện tử quang hợp; Vị trí chức gen tham khảo theo công bố Berry et al (2013) Trong công thức, biểu gen liên quan đến quang hợp có xu hướng khác (hình 4) Ở lơ ĐC, mức độ biểu gen psaA, psaB, psbA-E có tương quan chặt với hàm lượng chlorophyll a Khi hàm lượng chlorophyll a đạt cực đại thời điểm 40 ngày, hoạt động gen đạt cao Ngoại trừ gen Lhca Cytb6f có xu hướng ổn định suốt thời gian sinh trưởng đậu tương Ở lô xử lý hạt nano cobalt nồng độ 0,17 mg/kg hạt (KTVN KTUSA), tất gen liên quan đến quang hợp có mức độ biểu thay đổi không đáng kể thời điểm 20 đến 40 ngày Tuy nhiên, thời điểm 70 ngày, tất gen tăng cường hoạt động Có khác biệt có ý nghĩa mức độ biểu gen thời điểm 40 70 ngày (P < 0,05) Khi tăng nồng độ cobalt xử lý (16,67 mg/kg hạt), thay đổi biểu gen thời điểm khác không nhiều sai khác ý nghĩa thống kê sinh học (P> 0,05) Kết nghiên cứu cho thấy hiệu tác động hạt nano cobalt Việt Nam Mỹ liều 0,17 16,67 mg/kg hạt khơng có khác biệt Ngay liều xử lý cao 16,67 mg/kg hạt chưa phát thấy tác động tiêu cực đến máy quang hợp đậu tương DT26 Một số nghiên cứu giới cho thấy cobalt nồng độ thấp có ảnh hưởng tích cực lên sinh trưởng tốc độ vận chuyển điện tử mạch vận chuyển điện tử quang hợp (Mohanty et al., 1989 ; Ali et al., 2010) Mohanty et al (1989) đưa giả thuyết tác dụng cobalt lên quang hợp chúng có vai trị thay đổi chức QB mạch vận chuyển điện tử, dẫn đến ảnh hưởng lên hoạt động quang hợp El- Sheekh et al (2003) công bố ảnh hưởng nồng độ cobalt lên sinh trưởng, hàm lượng sắc tố mạch vận chuyển điện tử quang hợp loài tảo Monoraphidium minutum Nitzschia perminuta Kết cho thấy cobalt kích thích sinh trưởng hàm lượng sắc tố loài tảo nồng độ thấp (0,1–0,5 ppm) Cobalt ảnh hưởng trực tiếp lên phức hợp P680 mạch vận chuyển điện tử PSII Có thay đổi việc phân phối lượng kích thích có lợi cho hệ thống PSI Điều 149 Luu Thi Tam et al dẫn tới tăng cường tổng hợp phân tử ATP thơng qua q trình vận chuyển điện tử vịng mạch vận chuyển điện tử quang hợp dẫn tới tăng cường/kích thích tích lũy carbon vơ tế bào sinh trưởng nồng độ cobalt thấp Tuy nhiên, để hiểu rõ chế phân tử hạt nano cobalt tác động lên hoạt động quang hợp đậu tương DT26 cần phải có nghiên cứu sâu sản phẩm mã hóa gen liên quan đến quang hợp PSI PSII nêu Hình Mức độ biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương DT26 công thức khác có khơng có mặt hạt nano cobalt KẾT LUẬN Hạt nano cobalt hóa trị với nồng độ 0,17 16,67 mg/kg hạt có ảnh hưởng tích cực lên hoạt động quang hợp đậu tương DT26 thông qua tăng hàm lượng chlorophyll a hiệu suất quang hóa cực đại, Fv/Fm Khơng có khác biệt hiệu tác động lên quang hợp hạt nano cobalt Việt Nam Mỹ sản xuất Mức độ biểu gen liên quan đến hoạt tính quang hợp đậu tương 150 thay đổi theo thời gian sinh trưởng nồng độ cobalt xử lý So với lô đối chứng, Mức Cytb6f độ biểu quang gen genHình psaA,4.Lhca, (thuộc hệ I) liên genquan psbA quangquang hệ II) thí đậu đến(thuộc hoạt tính hợpcủa củalơcây nghiệm xu hướng biểu tăngnhau dần tươngcóDT26 cơng thức khác có suốt thời gian sinh trưởng Các gen cócác mặtprotein hạt nano cobalt mãkhơng hóa cho thuộc quang hệ II psbB, psbC, psbD, psbE gen psaB (thuộc quang hệ I) lại có xu hướng tăng mức độ biểu thời điểm 20 70 ngày giảm biểu thời điểm 40 ngày Ngay nồng độ xử lý cao 16,67 mg hạt nano cobalt/kg hạt Tác động hạt nano cobalt chưa ảnh hưởng tiêu cực đến chức quang hợp đậu tương DT26 Lời cảm ơn: Cơng trình hỗ trợ kinh phí đề tài thuộc Hợp phần IV “Nghiên cứu chế tác động đánh giá an toàn sinh học chế phẩm nano nghiên cứu dự án” có Mã số: VAST.TĐ.NANO.04/15-18, thuộc Dự án KHCN trọng điểm cấp Viện Hàn lâm KHCNVN “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano nông nghiệp” Tác giả xin cảm ơn GS.TS Choon-Hwan Lee (Khoa sinh học phân tử, Đại học Quốc gia Pusan, Hàn Quốc) trao đổi quý báu việc xử lý số liệu biểu gen TÀI LIỆU THAM KHẢO Abdul Jaleel C., Jayakumar K., Chang-Xing Z., Iqbal M., 2009 Low concentration of cobalt increases growth, biochemical constituents, mineral status and yield in Zea mays J Sci Res., 1(1): 128–137 Ahsan N., Donnart T., Nouri M Z., Komatsu S., 2010 Tissue-specific defense and thermo-adaptive mechanisms of soybean seedlings under heat stress revealed by proteomic approach J Proteome Res., 9(8): 4189–4204 Ali B., Hayat S., Hayat Q., Ahmad A., 2010 Cobalt stress affects nitrogen metabolism, photosynthesis and antioxidant system in chickpea (Cicer arietinum L.) J Plant Interact, 5(3): 22–231 Barber J., Nield J., Morris E.P., Zheleva D., Hankamer B., 1997 The structure, function and dynamics of photosystem two Physiol Plant, 100: 817–827 Berry J O., Yerramsetty P., Zielinski A M., Mure C M., 2013 Photosynthetic gene expression in higher plants Photosynth Res., 117(1-3): 91–120 Chaves M M., Flexas J., Pinheiro C., 2009 Photosynthesis under drought and salt stress: regulation mechanisms from whole plant to cell Ann Bot., 103: 551–560 Chia T F., He J., 1999 Photosynthetic capacity in oncidium (Orchidaceae) plants after virus eradication Environ Exp Bot., 42:11–16 Collins R N., Kinsela A S., 2011 Pedogenic factors and measurements of the plantuptake of cobalt Plant Soil, 339: 499–512 DalCorso G., Manara A., Piasentin S., Furini A., 2014 Nutrient metal elements in plants Metallomics, 6: 1770–1788 El-Sheekh M M., El-Naggar A H., Osman M E H., El-Mazaly E., 2003 Effect of cobalt on growth, pigments and the photosynthetic electron transport in Monoraphidium minutum and Nitzchia perminuta Braz J Plant Physiol., 15(3): 159–166 Gad N., El-Moez A., Bekbayeva L K., Karabayeva A A., Surif M., 2013 Effect of cobalt supplement on the growth and productivity of soybean (Glycine max L Merril) World Appl Sci J., 26(7): 926–933 Jayakumar K., Abdul Jaleel C., Azooz M M., Vijayarengan P., Gomathinayagam M., Panneerselvam R., 2009 Effect of different concentrations of Cobalt on morphological parameters and yield components of Soybean GJMS, 4(1): 10–14 Trần Mỹ Linh, Phạm Thị Hòe, Nguyễn Thị Thu Hiền, Lê Thị Thu Hiền, Nguyễn Hoài Châu, 2018 Đánh giá tác động hạt nano kim loại đến trình nảy mầm hạt đậu tương điệu kiện hạn Báo cáo tồn văn Hội nghị Khoa học cơng nghệ sinh học toàn quốc 2018 Nxb KHTN&CN, H Tr 1539–1545 Luciński R., Jackowski G., 2006 The structure, functions and degradation of pigment binding proteins of photosystem II Acta Biochim Pol., 53(4): 693–708 Nguyễn Văn Mã, La Việt Hồng, Ong Xuân Phong, 2013 Phương pháp nghiên cứu sinh lý học thực vật Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội Mohanty N., Vass I., Demeter S., 1989 Impairment of photosystem activity at the level of secondary quinone electron acceptor in chloroplasts treated with cobalt, nickel and zinc ions Physiol Plant, 76: 386–390 151 Luu Thi Tam et al Murchie E.H., Hubbart S., Peng S., Horton P., 2005 Acclimation of photosynthesis to high irradiance in rice: gene expression and interactions with leaf development J Exp Bot., 56: 449–460 Ngo Q B., Dao T H., Nguyen H C., Tran X T., Nguyen T V., Khuu T D., Huynh T H., 2014 Effects of nanocrystalline powders (Fe, Co and Cu) on the germination, growth, crop yield and product quality of soybean (Vietnamese species DT-51) Adv Nat Sci NanoSci Nanotechnol., 5: 015016 (7 pp) https://doi.org/10.1088/20436262/5/1/015016 Qiu Z., Wang L., Zhou Q., 2013 Effects of bisphenol A on growth, photosynthesis and chlorophyll fluorescence in above ground organs of soybean seedlings Chemosphere., 90: 1274–1280 Shao Q., Wang H., Guo H., Zhou A., Huang Y., Sun Y., Li M., 2014 Effects of shade treatments on photosynthetic characteristics, chloroplast ultrastructure and physiology of Anoectochilus roxburghii PloS One, 9: e85996 Teixeira R.N., Ligterink W., Franỗa-Neto J.D.B., Hilhorst H.W.M, da Silva E.A.A., 2016 Gene expression profiling of the 152 green seed problem in Soybean BMC Plant Biology, 16(1): 37 https://doi.org.10.1186/s12870-016-0729-0 Phan Hoàng Tuấn, Hoàng Thị Lan Anh, Lưu Thị Tâm, Ngơ Thị Hồi Thu, Đào Trọng Hiền, Nguyễn Hồi Châu, Đặng Diễm Hồng, 2018a Đánh giá hiệu tác động hạt nano cobalt hóa trị lên sinh trưởng thông số quang hợp đậu tương Glycine max (L) Merril “DT51” giai đoạn sinh trưởng khác Báo cáo toàn văn Hội nghị Khoa học cơng nghệ sinh học tồn quốc 2018 Nxb KHTN&CN, H Tr 1331–1338 Phan Hoàng Tuấn, Lưu Thị Tâm, Hồng Thị Lan Anh, Ngơ Thị Hồi Thu, Nguyễn Hồi Châu, Đặng Diễm Hồng, 2018b Nghiên cứu ảnh hưởng hạt nano coban dạng đơn lẻ hỗn hợp lên thay đổi thông số quang hợp hoạt độ enzyme chống ơxy hóa đậy tương Glycine max Merr (DT26) Tạp chí Sinh học, 40(2): 333–343 Wang B., Du Q Z., Yang X., Zhang D., 2014 Identification and characterization of nuclear genes involved in photosynthesis in Populus BMC Plant Biol., 14(1): 81  ... tương Glycine max Merr (DT26) Tạp chí Sinh học, 40(2): 333–343 Wang B., Du Q Z., Yang X., Zhang D., 2014 Identification and characterization of nuclear genes involved in photosynthesis in Populus... H.W.M, da Silva E.A.A., 2016 Gene expression profiling of the 152 green seed problem in Soybean BMC Plant Biology, 16(1): 37 https://doi.org.10.1186/s1287 0-0 1 6-0 72 9-0 Phan Hoàng Tuấn, Hoàng Thị Lan... Low concentration of cobalt increases growth, biochemical constituents, mineral status and yield in Zea mays J Sci Res., 1(1): 128–137 Ahsan N., Donnart T., Nouri M Z., Komatsu S., 2010 Tissue-specific