quan giữa kiểu hình và sự biểu hiện của các gen chuyển. Các kiểu hình này có màu vàng đặc trưng đến màu đỏ. Điều khiển sự hình thành cơ quan dự trữ mở ra một chiến lược mới cho công n[r]
(1)Tăng cường giá trị dinh dưỡng ngô
TĂNG CƯỜNG GIÁ TRỊ DINH DƯỠNG CỦA NGÔ BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Nguyễn Đức Thành
Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm KH & CN Việt Nam
TÓM TẮT: Nhu cầu ngô ngày tăng phạm vi giới Việt Nam Ngô giống ngũ cốc khác có hàm lượng số chất dinh dưỡng quan trọng thấp, đặc biệt chất lysine, vitamin A, acid folic, sắt, kẽm selenium Chính thế, nhà khoa học có nhiều nỗ lực nghiên cứu nâng cao giá trị dinh dưỡng ngũ cốc nói chung ngơ nói riêng Bài báo tổng quan kết nghiên cứu cải tiến dinh dưỡng ngô cơng nghệ sinh học Trong tập trung vào cơng trình cải tiến chất lượng protein, hàm lượng carotenoid vi dưỡng chất sắt kẽm Những kết nghiên cứu mở triển vọng cho việc cải tiến chất lượng dinh dưỡng ngũ cốc, có ngơ nói riêng; đồng thời cho thấy vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu hướng
Từ khóa: Zea mays, ngũ cốc, công nghệ sinh học, giá trị dinh dưỡng, protein chất lượng cao, vitamin A
Nhìn chung, loại hạt ngũ cốc nghèo chất lysine, vitamin A, folic acid, sắt, kẽm selenium, chất lại quan trọng cho trao đổi chất phát triển bình thường người Một phần ba dân số giới phần lớn châu Phi Đông Nam Á sử dụng ngũ cốc nguồn dinh dưỡng (Christou & Twyman, 2004) Nhu cầu lương thực, thức ăn chăn nuôi nhiên liệu giới ngày tăng vượt xa so với khả sản xuất Theo dự báo, đến 2020 nhu cầu ngũ cốc giới tăng 45%; châu Á, nhu cầu ngô tăng 87% so với 1995 (IFPRI, 2003) Ở Việt Nam, ngô lương thực đứng thứ hai sau lúa Sản lượng ngô Việt Nam không đáp ứng yêu cầu ngày tăng, vậy, việc nhập ngơ ngày gia tăng Năm 2013, Việt Nam phải nhập 2,6 triệu tấn, năm 2014 3,0 triệu (Mai Xuan Trieu, 2014), năm 2015 lên tới 7,55 triệu tấn, tăng 71,2% so với năm 2014 (http://cafef.vn/nong-thuysan.html) Nhu cầu ngày tăng, chất lượng dinh dưỡng ngô lại kém, vậy, việc thiếu dinh dưỡng sử dụng ngô thách thức lớn giới Việt Nam Đây lý cho nhiều nỗ lực nghiên cứu nhằm cải thiện giá trị dinh dưỡng ngũ cốc nói chung ngơ nói riêng Bài báo tổng quan kết nghiên cứu nâng cao chất
lượng dinh dưỡng ngô công nghệ sinh học nhằm cung cấp sở khoa học thực tiễn cho việc tăng cường giá trị dinh dưỡng ngô Những kết nghiên cứu nhận cải tiến chất lượng protein, gia tăng tổng hợp carotenoid, nguyên tố vi lượng sắt kẽm v.v mở triển vọng cho việc cải thiện chất lượng dinh dưỡng ngô ngũ cốc; đồng thời cho thấy vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu
Thành phần dinh dưỡng ngô
Thành phần dinh dưỡng chủ yếu ngô bao gồm protein, lipid, carbonhydrate, số vitamin (B1, PP) carotenoid tiền vitamin A
(2)Nguyen Duc Thanh
nhiều vitamin B1 vitamin PP thấp cộng với việc thiếu tryptophan-một tiền chất để tạo vitamin PP Vì vậy, ăn ngơ đơn kéo dài mắc bệnh Pellagra (bệnh thiếu vitamin PP)
Hàm lượng carotenoid tiền vitamin A ngô thấp Trong hạt ngô chứa chủ yếu dạng carotenoid tiền vitamin A gồm -carotene, -carotene -cryptoxanthin hàm lượng thấp với giá trị tương ứng từ 0,0-1,3; 0,13-2,7 0,13-1,9 nmol/g (Kurilich Juvik, 1999) Hiện nay, nhờ cố gắng nghiên cứu cải tạo giống, nhà khoa học tạo giống ngơ có hàm lượng -carotene tổng số đạt 15 g/g so với 0,1 g/g giống ngơ bình thường (http://www.news.uiuc.edu.news/08/0117maize html) Tuy nhiên, hàm lượng thấp so sánh với carrot (83,32 g/g) (http://www.healthaliciousness.com/articles/nat ural-food-sources-of-beta-carotene.php
Hàm lượng chất vi lượng sắt kẽm ngô thấp (Bouis, 2000; Welch Graham, 2002) Hàm lượng kẽm trung bình hạt ngơ 2,0 mg/100 g hạt (Ortiz-Monasterio et al., 2007) hàm lượng sắt từ 1,2 đến 3,6 mg/100 g (Queiroz et al., 2011)
Do thiếu lysine, triptophan, tiền vitamin A, kẽm sắt nên chất lượng dinh dưỡng ngô Để cải thiện chất lượng dinh dưỡng ngơ có nhiều cố gắng việc tạo giống ngô chất lượng protein cao (Sofi et al., 2009), gia tăng hàm lượng carotenoid, đặc biệt carotenoid tiền vitamin A (WHO, 2009), tăng hàm lượng sắt (Tako et al., 2013) kẽm (Welch Graham, 2002)
Các cách tiếp cận cho tăng cường chất lượng dinh dưỡng ngô
Hội nghị ngô châu Á lần thứ 12 Hội đàm chuyên gia cho vấn đề “Ngô cho an ninh lương thực, thức ăn chăn nuôi, dinh dưỡng môi trường” diễn Bangkok từ 29/10 đến 01/11/2014 Hội viện nghiên cứu nơng nghiệp châu Á-Thái Bình Dương, Trung tâm Cải tiến lúa mì ngơ (CYMMIT), Tổ chức Nơng Lương quốc tế (FAO) Cục Nông nghiệp Thái Lan tổ chức đưa khuyến cáo phát triển ngô vùng Các
chuyên gia khuyến cáo việc phát triển giống ngơ có hàm lượng dầu cao, protein chất lượng tăng cường tổng hợp carotenoid tiền vitamin A cần ưu tiên phát triển Ngồi ra, giống ngơ với hàm lượng methionine, zeaxanthin, vitamin E cần quan tâm Chính vậy, cải tiến chất lượng giống ngô yếu tố then chốt xác định sản lượng suất ngơ Do đó, vấn đề cấp thiết phải tạo giống ngơ có chất lượng hạt tốt với tính trạng cần thiết chất lượng protein, hàm lượng carotenoid cao
Để tăng cường chất lượng protein, sử dụng đột biến (Mertz et al., 1964; Nelson et al., 1965) kỹ thuật di truyền (Segal et al., 2003; Lang et al., 2004; Yu et al., 2004; Hoang et al., 2005; Yue et al., 2014) Với phát triển nghiên cứu mức độ phân tử, việc ứng dụng thị phân tử chọn giống ngô với protein chất lượng cao cách tiếp cận hứa hẹn (Babu et al., 2005; Danson et al., 2006) Ngoài protein, carotenoid tiền vitamin A, hàm lượng sắt kẽm hạt ngô đối tượng quan tâm chiến lược tăng cường giá trị dinh dưỡng ngũ cốc nói chung (Masuda et al., 2012; Velu et al., 2014) ngơ nói riêng (Hadley et al., 2002; Saltzman et al., 2013)
Gia tăng hàm lượng carotenoid tiền vitamin A sử dụng cơng nghệ gen với việc sử dụng gen tham gia vào trình tổng hợp (Fraser Bramley, 2004; Zhu et al., 2008) tích lũy carotenoid (Li et al., 2012)
Để tăng cường hàm lượng kim loại vi lượng bổ sung kim loại vào phân bón (Lyons et al., 2004), hay sử dụng phương thức trồng trọt truyền thống (Ortiz-Monastero et al., 2007) phương thức trồng trọt truyền thống kết hợp với đột biến để cải tiến hàm lượng dinh dưỡng Xác định giống ngũ cốc có hàm lượng vi dưỡng chất cao sử dụng phương pháp chọn thị phân tử đề chuyển tính trạng vào trồng phổ biến hướng tiếp cận nhiều triển vọng (White Broadley, 2005) Tăng cường chất lượng protein ngô
(3)Tăng cường giá trị dinh dưỡng ngô
nghèo dinh dưỡng có hàm lượng acid amin không thay thấp Hàm lượng lysine protein ngô đạt 3%, thấp nhiều so với khuyến cáo FAO dinh dưỡng người 5,5% (FAO, 1973) Ngoài ra, acid amin khác ngô tryptophan, threonine methionine protein ngô thấp (Shewry Tatham, 1999; Shewry, 2000)
Protein ngô chứa 3% albumin, 3% globulin, 60% prolamin 34% glutelin Prolamin ngơ, cịn gọi zein chia thành loại
và -zein phụ thuộc vào tính tan cấu tạo protein Zein giàu glutamine, proline, alanine leusine khơng có hai acid amin khơng thay lysine tryptophan (Sofi et al., 2009) Nếu hàm lượng prolamin cao dẫn đến thiếu lysine tryptophan protein bị chất lượng Thiếu số acid amin khơng thay có lysine chất lượng dinh dưỡng giảm 50 đến 75% dẫn đến tượng thiếu protein người làm giảm khả kháng bệnh, giảm protein máu, làm chậm phát triển thể chất trí tuệ trẻ vị thành niên hội chứng gọi tượng thiếu dinh dưỡng lượng protein Theo ước tính Tổ chức Y tế giới có tới 30% dân số nước phát triển bị hội chứng (WHO, 2007) Các nghiên cứu Ấn Độ Singh et al., 1980) cho thấy, trẻ em ni dưỡng ngơ có protein chất lượng cao khỏe mạnh hơn, sinh trưởng tốt tử vong so với trẻ ni ngơ bình thường Các nghiên cứu Ethiopia cho kết tương tự (Akalu et al., 2010) Đối với chăn nuôi, ngô với protein chất lượng cao đặc biệt có ý nghĩa với lợn gia cầm Lợn gia cầm nuôi ngơ protein chất lượng cao có mức độ tăng trưởng tốt Ở Brazil El-sanvado, việc sử dụng ngô protein chất lượng cao giảm sử dụng thức ăn đậu tương khoảng 50% giảm việc sử dụng lysine tổng hợp (Lopez-Pereira, 1992), kết giảm 3-5% chi phí thức ăn cho lợn gia cầm Ở Trung Quốc, việc sử dụng giống ngô protein chất lượng cao chăn nuôi giúp gia tăng thể trọng hàm lượng acid amin lợn (Zhai, 2002)
Hiện giới, ngô protein chất lượng cao trồng khoảng 2,5 triệu Ở
Trung Quốc, số giống ngô protein chất lượng cao trồng 1000 dự báo đến 2020 có khoảng 30% diện tích ngơ nước trồng ngô protein chất lượng cao (Gill, 2008) Ở Việt Nam, việc trồng ngô với chất lượng protein cao hạn chế Hiện Việt Nam sử dụng số dịng ngơ CIMMYT CML161, CML163 CML165 làm bố mẹ để tạo cặp lai Cho đến nay, Việt Nam chưa có nghiên cứu cải thiện chất lượng protein ngô
Một cơng trình tăng cường chất lượng protein (tăng lysine tryptophan) chọn đột biến làm giản hàm lượng zein, có đột biến mang gen opaque-2 (o2) floury-2 (fl2) Mertz et al., 1964; Nelson et al., 1965) Tuy nhiên, đột biến có nội nhũ trắng xốp dễ bị phá hủy, dễ bị bệnh suất thấp (Lambert et al., 1969; Ortega et al., 1983) Một hướng nghiên cứu đề suất để giải vấn đề cải biến di truyền cấu trúc nội nhũ hướng khó đưa vào thực tế phải biến đổi nhiều gen cải tiến nội nhũ (Hoang et al., 2004) Hy vọng thương mại hóa giống ngơ có protein chất lượng cao bắt đầu vào năm 90 kỷ trước, dịng ngơ với đột biến Opaque gọi ngô protein chất lượng cao (QPM) phát triển (Glover, 1992; Gibbon Larkins, 2005) Kiểu gen QPM có tính trạng bắp suất giống ngô khác, hiệu mặt dinh dưỡng, đặc biệt trẻ em nước phát triển (Akalu et al., 2010)
Sử dụng kỹ thuật di truyền để cải tiến chất lượng protein ngô ứng dụng đầy triển vọng cơng nghệ sinh học phương pháp truyền thống nhiều hạn chế Việc tạo protein có tỷ lệ lysine cao cách tiếp cận để cải tiến protein hạt (Sofi et al., 2009) Có hai chiến lược để tăng hàm lượng lysine protein: làm giảm tổng hợp zein hai tăng hàm lượng acid amin (lysine) tự sử dụng gen mã hóa cho protein giàu lysine
(4)Nguyen Duc Thanh
biến O2 làm gia tăng hàm lượng lysine từ 16 đến 20% Khi sử dụng RNA sợi đôi (dsRNA) để làm giảm tổng hợp đồng thời 22 kDa -zein 19 kDa -zein gia tăng hàm lượng lysine từ 2,83% lên 5,63% hàm lượng tryptophan từ 0,69% đến 1,22% Ngồi ra, tính chất trội gen chuyển nên dễ dàng trì chất lượng so với đột biến lặn O2
Các acid amin không thay lysine, threonine methionine thực vật tổng hợp từ aspartic acid theo chu trình phức tạp thường có tượng ức chế ngược (feed back inhibition) Aspartate kinase (AK) dihydropicolinate synthase (DHPS) enzyme then chốt chu trình AK có vai trò quan trọng giai đoạn đầu bị ức chế lysine threonine DHPS giai đoạn cuối bị ức chế lysine Zhu et al (2007) biểu DHPS ngô thu ngơ có hàm lượng lysine tự hạt tăng từ đến 30% tổng acid amin Năm 2006, Monsanto đưa vào sản xuất giống ngô chuyển gen với hàm lượng lysine cao nhờ biểu gen DHPS có nguồn gốc từ Corynebacterium dưới điều khiển promoter globulin-1 Hàm lượng lysine tự hạt tăng từ 2500-2800 ppm lên 3500-5300 ppm Tuy nhiên, việc sử dụng gen từ nguồn vi sinh vật tạo giống trồng chuyển gen tạo nên hồi nghi tính an tồn chuyển gen
Hiện cách tiếp cận sử dụng gen từ trồng tạo trồng chuyển gen (cistrangenic) quan tâm để phát triển chuyển gen thân thiện với môi trường Chiến lược cải tiến di truyền tăng chất lượng protein ngô việc gia tăng hàm lượng lysine đặc biệt lysine ngô sử dụng gen tổng hợp protein giàu lysine SB401 (Yu et al., 2004), SBgLR (Lang et al., 2004; Wang et al., 2013), GhLRP (Tang et al., 2013; Yue et al., 2014) từ số trồng quan tâm
Gen SBgLR phân lập tách dòng từ thư viện DNA genome khoai tây việc sử dụng cDNA SB401 làm đoạn dị Gen SBgLR có exon intron mã hóa cho protein gồm 211 amino acid, gen mã hóa cho protein giầu lysine tự nhiên với hàm lượng lysine lên
tới 18,93% Kết nghiên cứu bước đầu cho thấy chuyển gen SBgLR, SB401 (từ khoai tây) điều khiển promoter P19z đặc hiệu cho việc biểu protein dự trữ hạt ngô gia tăng hàm lượng lysine từ 16,1 đến 54,8% (Yu et al., 2004; Lang et al., 2004) so với đối chứng không chuyển gen Gần gen tự nhiên mã hóa cho protein giầu lysine GhLRP (từ bông) phân lập, gen mã hóa cho protein giầu lysine (18,97% thể tích/thể tích) chuyển vào ngơ điều khiển promotor F128 đặc hiệu cho thể gen hạt hàm lượng lysine hạt ngô chuyển gen tăng từ 16,2 đến 65% (Yue et al., 2014) Đây sở quan trọng cho nghiên cứu cải tiến chất lượng protein ngơ gen tự nhiên mã hóa cho protein chất lượng cao
Bên cạnh công nghệ gen, chọn giống nhờ thị phân tử (MAS) có kết khả quan Babu et al (2005) sử dụng MAS để chọn dịng ngơ bố mẹ cho ngô lai protein chất lượng cao (QPM) Các tác giả phát triển giống ngơ lai Vivek-9 có chất lượng protein cao với thời gian nửa so với chọn giống truyền thống Danson et al (2006) sử dụng thị phân tử để chuyển gen o2 vào dịng ngơ bố mẹ kháng chất diệt cỏ Các tác giả nhận thấy việc sử dụng thị liên quan đến chất lượng protein cải biến nội nhũ tăng cường hiệu chọn lọc giống ngô với bắp cải tiến protein chất lượng cao Tăng cường hàm lượng carotenoid ngô
Carotenoid đại diện cho nhóm sắc tố đỏ, da cam, vàng phổ biến tự nhiên Đây chủ yếu nhóm C40 isoprenoid có vai trị quan trọng
(5)Tăng cường giá trị dinh dưỡng ngô
quả cà chua phytoene (PE) phytofluene (PF) cịn có vai trị chất có hoạt tính sinh học quan trọng người động vật Trong chăn nuôi, nhu cầu lớn carotenoid biết đến nuôi cá hồi gia cầm (Tyczkowski Hamilton, 1986)
Các phương pháp cải tiến hàm lượng Carotenoid thực vật
Để cải tiến hàm lượng carotenoid cần điều khiển mức độ tăng carotenoid tổng số, bao gồm tăng tổng hợp, giảm phân hủy tối ưu hóa dự trữ Do đó, muốn cải tiến hàm lượng carotenoid can thiệp vào chu trình tổng hợp việc tăng cường biểu ức chế số gen mã hóa cho enzyme then chốt PSY, PDS, ZDS, CrtiSO v.v tạo quan dự trữ tối ưu
Đã có nhiều khám phá tạo điều kiện cho việc cải thiện hàm lượng carotenoid như: xác định, phân lập nghiên cứu đặc điểm gen tham gia sinh tổng hợp carotenoid từ vi khuẩn thể đa bào (Hirschberg, 2001; Dallapenna Pogson, 2006) tạo chuyển gen siêu biểu gen liên quan đến sinh tổng hợp carotenoid; phát triển công nghệ RNAi; định dạng phiên mã trao đổi chất (transcriptional, metabolic profiling) Các khám phá mở rộng hiểu biết carotenoid vai trò ảnh hưởng đa chiều chúng
Chuyển gen làm thay đổi biểu gen tham gia vào trình tổng hợp carotenoid thành công việc cải tiến hàm lượng carotenoid số trồng nhằm tăng cường giá trị dinh dưỡng (Sandman, 2002; Fraser, Bramley, 2004; Taylor Ramsay, 2005; Botella-Pavia et al., 2006) Siêu biểu số gen tham gia vào tổng hợp carotenoid nội nhũ lúa đạt hàm lượng lên tới 31 g/g -carotene, mức đáp ứng phần vitamin A cho trẻ em sử dụng gạo hàng ngày (Paine et al., 2005) Với phương pháp tương tự, khoai tây “vàng” (Diretto et al., 2007), hạt cải dầu chứa tổng carotenoid tăng tới 50 lần tạo (Shewmaker et al., 1999) Thêm nữa, công nghệ chất trao đổi chất tạo khoai tây, cà chua chứa nhiều -carotene, lycopene zeaxanthin (Briat et al., 1995; Romer et al., 2000)
Siêu biểu gen PSY ở lúa điều khiển promoter hoạt động đặc hiệu mô nội nhũ tạo hạt chuyển gen tích lũy hàm lượng phytoene tới 0,75 g/g khối lượng khơ (Burkhardt et al., 1997) Đây cơng trình mở khả cải tiến giống lúa theo hướng tạo lúa giầu carotenoid Gen PSY từ ngô chuyển vào lúa tạo “lúa vàng 2” có hàm lượng -carotene tối đa carotenoid tổng số 31 36
g/g khối lượng khô (Paine et al., 2005) Siêu biểu gen CrtI dưới điều khiển promoter CaMV 35S (Romer et al., 2000) gia tăng đáng kể hàm lượng -carotene xanthophyll, nhiên lại giảm hàm lượng lycopene carotenoid tổng số cà chua chuyển gen Siêu biểu gen CrtI còn gia tăng mức độ biểu gen (PDS, ZDS and LCY-b) Tăng -carotene không giảm carotenoid thể LCY-b Arabidopsis điều khiển PDS promoter (Rosati et al., 2000)
Ức chế gen LCY-e (As-e) CHY (As-h) củ khoai tây nhằm tăng cường hàm lượng carotenoid tiến hành (Diretto et al., 2007), gen CrtI và CrtY chuyển vào khoai tây nhiên hàm lượng -carotene corotenoid tổng số tăng không đáng kể lại giảm carotenoid
Các gen CrtB, CrtI CrtY từ vi khuẩn chuyển vào khoai tây tạo củ khoai tây vàng với hàm lượng -carotene lên tới 47
g/g khối lượng khô (Diretto et al., 2007; Diretto et al., 2010)
(6)Nguyen Duc Thanh
quan kiểu hình biểu gen chuyển Kiểu hình (Ph-1) biểu gen Zmpsy1 có màu giống màu ngơ vàng tự nhiên, kiểu hình (Ph-2) biểu gen PacrtI có màu vàng nhạt Sự biểu kết hợp hai gen Zmpsy1 và PacrtI trong kiểu hình (Ph-3) tạo màu vàng đỏ, kết hợp biểu gen Gllycb với hai gen Zmpsy1 và PacrtI kiểu hình (Ph-4) lại tạo kiểu hình có màu vàng cam rõ ràng Các kiểu hình 5, Ph-6, and Ph-7 kết biểu gen ketolase vi khuẩn ParacrtW với Zmpsy1, PacrtI, Glbch, Zmpsy1, PacrtI và Gllycb, Zmpsy1, PacrtI, Gllycb và Glbch Các kiểu hình có màu vàng đặc trưng đến màu đỏ
Cây ngơ chuyển gen crtB (mã hóa cho phytoene synthase) crtI (mã hóa cho bốn bước giảm bão hịa chu trình tổng hợp carotenoid, xúc tác phytoene desaturase z-carotene desaturase) điều khiển chuỗi siêu khởi động-zein promoter cho thể gen nội nhũ công bố tổng carotenoid tăng tới 34 lần so với ngô không chuyển gen Mặc dù có thành cơng định nhiều trường hợp, việc biến đổi gen tham gia vào tổng hợp chưa đủ để đạt mức tăng carotenoids theo mong đợi (Fraser Bramley, 2004)
Carotenoid thực vật tổng hợp màng lạp thể dự trữ nhiều sắc lạp hoa, rễ (Howitt Pogson, 2006) Sắc lạp có chế đặc biệt cho dự trữ lượng lớn carotenoid việc tạo cấu trúc gọi cấu trúc carotenoid-lipoprotein nằm bên sắc lạp Điều khiển hình thành quan dự trữ mở chiến lược cho công nghệ trao đổi chất cải thiện hàm lượng carotenoid mô dự trữ lương thực Ở nhiều mơ khơng màu sắc tố rễ hạt, carotenoid dự trữ lạp thể lạp thể tạo bột (aminloplast) hạt lúa, lúa mì, lúa miến, ngô lạp thể chứa lipid (elaioplast) cải dầu, hướng dương Một nguyên nhân việc tích lũy mơ việc thiếu chỗ dự trữ để chứa sản phẩm cuối trình tổng hợp carotenoid
Cấu trúc dự trữ carotenoid cấu tạo carotenoid, lipid protein Sự thay đổi thành
phần chất dẫn đến hình thành thể cấu trúc dự trữ carotenoid khác sắc lạp (Camara et al., 1995) Tổng hợp thành phần cấu trúc dự trữ carotenoid đóng vai trị dự trữ tích lũy carotenoid Các tế bào tảo Dunaliiella bardawil tổng hợp mạnh -carotene lạp thể có stress việc siêu sản xuất cho phụ thuộc vào hình thành cấu trúc lập thể gen enzyme liên quan đến tổng hợp carotenoid (Rabbani et al., 1988) Các nghiên cứu rõ hình thành cấu trúc lập carotenoid để dự trữ đóng vai trò quan trọng điều hòa dự trữ carotenoid
Kết nghiên cứu Lu et al (2006) cho thấy gen Or mã hóa protein giầu DnaJ cysteine liên quan đến tích lũy carotenoid Gần đây, nghiên cứu biểu gen Or khoai tây dẫn đến tăng cường dự trữ carotenoid mà không ảnh hưởng đến trình tổng hợp carotenoid (Li et al., 2012), điều cho thấy, tiềm sử dụng gen để cải thiện hàm lượng carotenoid lương thực lúa mì, lúa, lúa mạch, ngơ, khoai tây sắn theo hướng tối ưu việc điều khiển hình thành cấu trúc dự trữ
Ở Việt Nam, nghiên cứu nhằm cải thiện hàm lượng carotenoid tiến hành lúa việc chuyển gen tham gia vào tổng hợp -carotene từ lúa chuyển gen “Golden Rice” vào số giống lúa suất cao AS996 OM1490 phương pháp lai ngược (back cross) (Tran Thi Cuc Hoa & Pham Trung Nghia, 2010) Việc nghiên cứu tăng cường thể gen CrtI promoter khác để cải tiến hàm lượng -carotene lúa tiến hành (Tran Thi Cuc Hoa et al., 2005) Ngồi ra, chưa có cơng bố nghiên cứu cải thiện hàm lượng carotenoid lương thực, bao gồm ngô
Các nghiên cứu liên quan đến cải tiến hàm lượng carotenoid ngô
(7)Tăng cường giá trị dinh dưỡng ngô
(http://www.news.uiuc.edu.news/08/0117maize html) cịn giống ngơ trắng khơng chứa -carotene Chính thế, hạt ngơ xem đối tượng quan trọng công nghệ cải tiến chất trao đổi chất nhằm gia tăng hàm lượng zeaxanthin, lutein provitamin A carotenoid lương thực (Messias et al., 2014) Ngơ có quan hệ tiến hóa gần với số lương thực khác họ Poaceae nên sử dụng gen tham gia vào trình biến đổi tiền vitamin A phát ngơ cho lồi thân cỏ khác (Wurtzel et al., 2012)
Nghiên cứu trình tổng hợp carotenoid ngô cho thấy gen PSY, đặc biệt PSY1, chức quan trọng tổng hợp carotenoid nội nhũ, gen cịn có vai trị khả chịu nhiệt (Zhu et al., 2008)
Ở mức độ phiên mã, gen CrtiSO, ZEP1 và ZEP2 có mức độ biểu tương quan ngược với hàm lượng carotenoid hạt, nhiều gen cần thiết cho tạo tiền chất cho isoprenoid lại có tương quan thuận, có gen DXS3, DXR, HDR và GGPPS1 (Vallabhaneni et al., 2009)
Sự phân giải carotenoid yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tích lũy thành phần carotenoid Có họ enzyme cắt carotenoid violaxanthin neoxanthin thành ABA chất trung gian thành apocarotenoids Nhiều gen phân giải carotenoid xác định ngô Gen ZmCCD1 liên kết với locus cap1 (wc1) trội allen wc1 biểu làm giảm hàm lượng carotenoid nội nhũ Đã có chứng minh ảnh hưởng mức độ biểu gen có nhiều ZmCCD1 khi thể dẫn đến giảm hàm lượng carotenoid (Vallabhaneni et al., 2010)
Thành phần carotenoid yếu tố quan trọng cần quan tâm có carotenoid với vịng-ionone chuyển thành vitamin A Vì thế, β-carotene tiền vitamin A quan trọng carotenoid tuyệt vời để cải tiến chất lượng dinh dưỡng ngơ Tối ưu hóa tích lũy -carotene cần tăng cường nhánh b- chu trình tổng hợp với việc giảm hydroxyl hóa -carotene thành hợp chất xanthophyll khơng có hoạt tính vitamin A Hoạt động LCYE
dẫn đến hình thành -carotene lutein, làm giảm -carotene Có locus LCYE khác ảnh hưởng đến tích lũy -carotene Ngồi việc mã hóa cho hydroxylase, LCYE Hydroxylase3 (HYD3) có vai trị điều hịa tích lũy -carotene Vì vậy, LCYE và HYD3 hai gen quan trọng hứa hẹn cho việc cải thiện hàm lượng -carotene Tuy nhiên, chưa có cơng trình xác định xác allen cụ thể gen cho điều hịa tăng cường tích lũy carotenoid ngô ngũ cốc khác
Một cách tiếp cận khác thực hiện, tăng cường điều hòa tổng hợp tiền chất isoprenoid nội nhũ Vallabhaneni et al (2009) số lượng chuỗi phiên mã gen DXS3, DXR, HDR GGPPS1 tỷ lệ thuận với hàm lượng carotenoid nội nhũ, gen có tiềm lớn cho cải tiến hàm lượng carotenoid Siêu biểu DXS Arabidopsis gia tăng hàm lượng isoprenoid bao gồm carotenoid (Estevez et al., 2001) Gần đây, với việc sử dụng thiết bị đại cho phân tích liên kết rộng hệ gen (genome-wide association analysis - GWAA) nhà nghiên cứu xác định CRTRB1, LCYE và gen khác vùng genome chi phối bước quan trọng giai đoạn trước chu trình tổng hợp DXS1, GGPS1, và GGPS Các gen có vai trị quan trọng tích lũy chất trung gian isoprenoid Các gen hoạt động sau tổng hợp HYD5, CCD1 ZEP1 xác định liên quan đến hydroxyl hóa phân giải carotenoid Các SNP (single nucleotide polymorphism) nằm gần vùng xác định đích quan trọng cho việc cải tiến hàm lượng carotenoid ngô (Suwarno et al., 2015)
Ứng dụng công nghệ gen để biểu gen điều hịa tích lũy carotenoid hướng quan trọng cho cải tiến hàm lượng carotenoid Các dịng ngơ chuyển gen tích lũy chất trung gian keto-carotenoid có hạt thay đổi từ màu trắng vàng đến màu đỏ sẫm tạo từ giống ngô trắng (Aluru et al., 2008; Zhu et al., 2008)