Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.2. QTLs và gen liên quan đến sự phát triển bộ rễ lúa
2.2.2. Các gen liên quan đến sự hình thành và phát triển bộ rễ lúa
Giải trình tự và giải mã genome lúa (Yu et al., 2002; Itoh et al., 2007), cũng nhƣ việc tạo ra một bộ sƣu tập các đột biến (Hirochika et al., 2004; Krishnan et
al., 2009; Guiderdoni and Gantet, 2012; Lorieux et al., 2012; Wei et al., 2013) và
các nghiên cứu sàng lọc sự biến đổi của kiểu hình rễ của các dạng đột biến đó cho phép chúng ta xác định đƣợc các gen chính điều khiển sự hình thành, sự xuất hiện và sự phát triển của rễ lúa (Rebouillat et al., 2009; Coudert et al., 2010; Orman-Ligeza et al., 2013). Căn cứ vào phƣơng thức tác động và vai trị của gen đó trong quá trình hình thành và phát triển bộ rễ ở lúa mà có thể phân thành những nhóm gen khác nhau.
2.2.2.1. Các gen điều khiển sự hình thành và phát triển bộ rễ cảm ứng với auxin
Các nghiên cứu sinh lý, hóa sinh và di truyền ở thực vật đã lần lƣợt khẳng định vai trò của auxin trong sự hình thành và phát triển bộ rễ ở thực vật nói
chung và ở lúa nói riêng. Q trình sinh tổng hợp và vận chuyển auxin và tín hiệu của nó đóng vai trị quan trọng trong việc kiểm sốt sự tăng trƣởng và phát triển của rễ, có thể nói auxin nhƣ một chất điều hịa tổng thể trong quá trình này. Những công bố gần đây đang dần hé lộ cơ chế tác động của auxin đến quá trình hình thành và phát triển bộ rễ lúa thông qua hoạt động của một mạng lƣới gen và các yếu tố phiên mã cảm ứng với auxin đƣợc tìm thấy.
Đột biến crown root less 4 (crl4) đƣợc biến đổi từ OsGNOM1, gen mã hóa
sự vận chuyển guanine-nucleotide qua màng cho ARFs (ADP-ribosylation fator), một thành viên của gia đình protein G (Kitomi et al., 2008; Liu et al., 2009). Protein G, hay còn gọi là “protein nucleotide-binding guanine”, là một gia đình các protein hoạt động nhƣ một thiết bị chuyển mạch phân tử bên trong tế bào, có liên quan trong việc truyền tín hiệu từ một loạt các kích thích bên ngồi một tế bào vào bên trong qua màng tế bào. Hoạt động của chúng đƣợc quy định bởi các yếu tố kiểm soát khả năng gắn kết và thủy phân guanosine triphosphate (GTP) thành guanosine diphosphate (GDP). Protein G là một thành viên của nhóm lớn các enzyme có tên là GTPases. Sau yếu tố này là một dạng tƣơng đồng của GNOM1, nó điều khiển mạng lƣới vận chuyển nội bào của protein vận chuyển auxin PIN1 (PINFORMED1) trong Arabidopsis. Đổi lại, PIN1 là yếu tố cần thiết để tập trung auxin vào các tế bào hình thành rễ bên (Steinmann et al., 1999; Kitomi et al., 2008; Liu et al., 2009). Đột biến crl1 và Osgnom1 đã đƣợc đánh giá dựa trên sự vắng mặt của các rễ bất định và sự suy giảm số lƣợng các rễ bên. Trong các đột biến này, sự biểu hiện của một vài gen OsPIN đã bị thay đổi.
Trong đột biến crl4, sự vận chuyển auxin bị suy yếu đi làm cho sự phân bố auxin trong các tế bào gốc rễ bị thay đổi (Kitomi et al., 2008). Kết quả cho thấy vị trí vận chuyển auxin có liên quan tới sự hình thành rễ bất định và rễ bên ở lúa.
OsWOX3A (WUSCHEL-releted homeobox 3A) đƣợc mã hóa bởi NAL2 (NARROW LEAF2) và NAL3 là một cặp gen lặp. Cặp đôi đột biến nal2/nal3 biểu
hiện một kiểu hình phức tạp, làm thay đổi sự phát triển của các bộ phận khác nhau của cây, đáng chú ý là nó làm giảm mạnh mật độ của các rễ bên. Một hiệu ứng đáng chú ý khác của đột biến này là làm tăng số lƣợng và chiều dài của các lông hút (Cho et al., 2013). Trong đột biến nal2/nal3 sự biểu hiện của các gen
OsPIN khác nhau đã đƣợc biến đổi. Kết quả của sự biến đổi này đƣợc giải thích
bằng giả thuyết cho rằng có sự tăng vận chuyển auxin tới các mơ biểu bì, nơi phát sinh lông hút, đồng thời làm giảm lƣợng auxin vận chuyển tới trụ bì
(pericycle) nơi các rễ bên đƣợc phân hóa (Yoo et al., 2013). OsTIR1 và OsAFB2 là hai gen ở lúa có cùng nguồn gốc với các cơ quan cảm thụ auxin (receptor) TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE 1 (TIR1) và AUXIN SIGNALING F- BOX2 (AFB2) ở Arabidopsis, đƣợc làm bất hoạt bằng OsMir393a và OsMir393b (Bian et al., 2012; Xia et al., 2012). Cây siêu biểu hiện OsMir393 thể hiện kiểu
hình biến đổi do tác động dây chuyền của các tín hiệu liên quan đến auxin, bao gồm cả sự suy giảm số lƣợng rễ bất định. OsMir393a biểu hiện rõ ở các vị trí phát sinh rễ chính và rễ bên, điều này chỉ ra rằng OsMir393a có liên quan đến việc điều khiển sự hình thành của rễ ở sau giai đoạn rễ mầm thông qua việc phủ định sự điều khiển của các chất nhận (receptor) auxin ở lúa. Các chất nhận auxin TIR1 và AFB2 đƣợc định vị trong nhân, nơi mà chúng có thể tƣơng tác với OsIAA1 - một protein điều khiển AUXIN/INDOLE ACETIC ACID (AUX/IAA) (Bian et al., 2012; Xia et al., 2012). Protein AUX/IAA tƣơng tác và ức chế ARF (Auxin Response Factors), có chức năng nhƣ một yếu tố phiên mã. Ở
Arabidopsis, khi các chất nhận này đƣợc tạo phức hợp với auxin, nó có thể tƣơng
tác với các protein AUX/IAA. Kết quả của sự ràng buộc này là do sự hoạt động của enzyme gắn ubiquitin (là các protein điều khiển có kích thƣớc nhỏ, khoảng 8,5 kDa) SKP1- CULLIN- FBOX (SCF), mà các ubiquitin sử dụng là các AUX/IAA, mục tiêu của nó là làm suy giảm hàm lƣợng auxin trong các tế bào phát sinh rễ, từ đó có thể làm giảm số lƣợng rễ hình thành. Những sự tƣơng tác này địi hỏi phải có một hoặc vài protein đi kèm (chaperone hoặc co-chaperone) (Guilfoyle and Hagen, 2007; Mockaitis and Estelle, 2008; Vanneste and Friml, 2009; Lavenus et al., 2013).
Ở lúa, một sàng lọc các đột biến mất khả năng cảm ứng với auxin để đánh giá đặc điểm của của hai đột biến (Oscyclophilin2 (Oscyp2) và lateral root less2
(lrl2)) đã đƣợc xác định dựa vào sự vắng mặt của các rễ bên mà nguyên nhân của
sự vắng mặt này là do đột biến ở trên cùng một gen (Kang et al., 2013; Zheng et
al., 2013). Ngoài ra, Oscyp2 cịn thể hiện một loạt các kiểu hình khơng cảm ứng
với auxin mà tƣơng quan với sự suy giảm nồng độ của OsIAA11 để phản hồi lại với auxin. OsCYP2/LRL2 là một protein đi kèm, nó có thể tƣơng tác với co- chaperone OsSGTS (SUPPRESSOR OF G2 ALLELE OF SKP1). Một số giả thiết cho rằng phức hợp này có liên quan đến sự suy giảm của OsIAA11 do SCFTIR trong quá trình phản hồi lại với auxin trong giai đoạn sớm của sự phân hóa rễ bên (Kang et al., 2013).
OsIAA11 hoặc OsIAA13 gia tăng chức năng đột biến, trong đó, các axit amin có liên quan đến sự suy giảm của các protein cảm ứng với auxin đã đƣợc biến đổi, mang đến dạng kiểu hình có rất ít rễ bên (lateral rootless) (Kitomi et al., 2012; Zhu et al., 2012). OsIAA11 và OsIAA13 là cần thiết cho sự hình thành rễ bên. Hai đột biến crl1(crown root less 1) (Inukai et al., 2005) và
arl1(adventitious less1) (Liu et al., 2005) đều đƣợc biến đổi từ gen OsLBD3-2, đây là gen mã hóa một yếu tố phiên mã LBD (LATERAL ORGAN BOUNDARY DOMAIN transcription factor) phục vụ cho việc hình thành các cơ quan bên ở vùng biên. LBD là một nhóm gen đặc thù chịu trách nhiệm kiểm sốt sự hình thành rễ ở các loài khác nhau (Coudert et al., 2013b). Các cây lúa có chứa đột biến crl1 và arl1 khơng có sự hình thành rễ bất định (để tạo thành bộ rễ chùm), đồng thời số lƣợng rễ bên cũng giảm đi đáng kể. Hoạt động của CRL1
cảm ứng với auxin. Sự cảm ứng này bị mất đi trong cây gây siêu biểu hiện một loại protein đã đƣợc biến đổi có tên là OsIAA3, khơng suy giảm sau khi điều trị bằng auxin, điều này chỉ ra rằng sự biểu hiện cảm ứng của CRL1 với auxin là
hoàn toàn độc lập với sự suy giảm của protein AUX/IAA. Ngồi ra, promotor của CRL1 cịn chứa một trình tự cảm ứng với auxin (ARE), trình tự này có khả năng tƣơng tác in vitro với yếu tố phiên mã OsARF16 (Inukai et al., 2005).
Tất cả các dữ liệu trên cho thấy sự hình thành rễ bất định và rễ bên ở lúa liên quan đến một mạng lƣới gen điều khiển bởi auxin, nó bao gồm các receptor thụ cảm auxin ARF và LDB. Mạng lƣới gen điều hòa này đƣợc bảo tồn rất tốt ở các loài cây hai lá mầm và một lá mầm khác nhau (Hochholdinger and Tuberosa, 2009; Péret et al., 2009; Lavenus et al., 2013). Ở lúa, một số thành phần trong mạng lƣới điều hòa này tham gia vào điều khiển sự hình thành cả rễ bất định và rễ bên, tuy nhiên cũng có một số thành phần khác chỉ đặc hiệu cho một loại rễ nhất định. Vì những lý do này, cây lúa trở thành một mơ hình đầy hứa hẹn để nghiên cứu mạng lƣới gen tham gia đến quá trình hình thành và phát triển bộ rễ của cây xuất phát từ cả hai bộ phận thân và rễ ở sau giai đoạn rễ mầm.
2.2.2.2. Các gen điều khiển sự hình thành và phát triển bộ rễ cảm ứng với các chất điều hòa sinh trưởng khác
Bên cạnh auxin, các hoocmon thực vật khác nhƣ cytokinin, ethylen, axit abscisic, gibberellin, axit jasmonic,... cũng tham gia điều khiển quá trình hình thành và phát triển bộ rễ. Chúng thông qua sự tƣơng tác tƣơng hỗ, hoặc đối
kháng với auxin để tác động đến hình thái và cấu trúc bộ rễ. Một số gen đã đƣợc công bố chịu sự điều khiển của các phytohoocmon này nhƣ:
Đột biến crl5 (crown root less 5) biểu hiện một kiểu hình với số lƣợng rễ
chính giảm đáng kể, nguyên nhân là do có sự suy giảm q trình phân hóa rễ chính tại gốc rễ (Kitomi et al., 2011). Gen CRL5 mã hóa yếu tố phiên mã
AP2/ERF (APETALA/ETHYLENE RESPONSE FARTOR transcription factor), biểu hiện của nó cảm ứng với auxin thơng qua yếu tố phiên mã AFR. Cytokinin cản trở sự hình thành rễ bất định và rễ bên ở lúa (Rani Debi et al., 2005; Kitomi
et al., 2011), nhƣng những cây có sự xuất hiện của CRL5 lại có thể hình thành rễ
bên một cách bình thƣờng. Nguyên nhân là do CRL5 kích hoạt biểu hiện của hai
dạng ARRs (A RESPONSE REGULATOR) - một chất ức chế các tín hiệu của cytokinin (To et al., 2004).
Tƣơng tự, yếu tố phiên mã WOX11 (WUSCHEL-related Homeobox trancription factor) kiểm soát sự biểu hiện của các ARRs khác nhau và điều khiển cả quá trình hình thành lẫn quá trình phát triển của rễ bất định ở lúa (Zhao et al., 2009). Biểu hiện của WOX11 đƣợc gây ra bởi auxin và cytokinin. Kết quả này
cho thấy CRL5 và WOX11 là một sự giao cắt giữa hai đƣờng hƣớng điều hòa đối lập của auxin và cytokinin đối với sự hình thành các rễ bất định ở lúa.
Gen HOX1 (HEME OXYGENASE 1) điều khiển sự hình thành của rễ bên thơng qua q trình tạo khí CO (carbon monoxide). HOX1 đƣợc điều hòa bởi
auxin và các tín hiệu stress, cũng nhƣ axit jasmonic và nitric oxit (Chen et al., 2012; Hsu et al., 2013), đây là một đƣờng hƣớng rất đáng quan tâm, chúng ta có thể ứng dụng đƣờng hƣớng này vào để góp phần xây dựng các mơ hình kiến trúc rễ ứng phó với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi (stress).
2.2.2.3. Các gen liên quan đến sự hình thành mơ phân sinh rễ
Sau bƣớc khởi đầu, tế bào phân chia và trở thành một bộ phận có hình dạng của một mô phân sinh rễ. Trong mơ phân sinh rễ có một trung tâm đƣợc tạo thành từ một lƣợng nhỏ tế bào mô phân sinh nhƣng đang ở trạng thái không phân chia (quiescent center - QC), trung tâm này là cần thiết để duy trì trạng thái ổn định của các tế bào rễ đƣợc tạo thành (van den Berg et al., 1997). Tại trung tâm QC của rễ lúa, vai trị của auxin đƣợc thể hiện thơng qua sự hoạt động của gen OsIAA23 (Jun et al., 2011). Gen QHB (QUIESCENT CENTER HOMEOBOX) là một gen tƣơng đồng với WUSCHEL-related WOX5, một gen QC đặc trƣng ở
Arabidopsis, gen đóng góp trong việc kiểm sốt hoạt động của các tế bào QC và
mô rễ (Kamiya et al., 2003a; Breuninger et al., 2008; Ditengou et al., 2008). Gen
QHB đƣợc biểu hiện trong giai đoạn sớm của quá trình phân hóa rễ ở QC, và
những biểu hiện của nó độc lập với CRL1/ARL1 ở giai đoạn hình thành rễ bất
định (Kamiya et al., 2003b; Inukai et al., 2005; Liu et al., 2005; Ni et al., 2014). Mối quan hệ này cho thấy CLAVATA/WOX là một đơn vị tín hiệu điều hịa hoạt động của mơ phân sinh ở đỉnh rễ ở lúa. Tƣơng tự nhƣ một đơn vị điều hịa hoạt động của mơ phân sinh đỉnh chồi đã đƣợc mô tả ở Arabidopsis. Trong phạm vi
này, sự vận chuyển tín hiệu peptide CLV3 đƣợc đảm bảo bởi LRR RLK (LEUCINE RICH REPEAT RECEPTOR - LIKE KINASE) CLV1 (Müller et al., 2006). Trong những dòng lúa siêu biểu hiện OsRPK1, gen mã hóa LRR RLK,
mức độ biểu hiện của các gen OsPIN khác nhau đƣợc điều chỉnh giảm xuống, sự vận chuyển auxin theo cực bị hỗn loạn và chiều dài của các rễ hình thành trong giai đoạn nảy mầm, cũng nhƣ số lƣợng các rễ bất định và mật độ của rễ bên (Zou
et al., 2014). Tuy nhiên, ngƣời ta không xác định đƣợc cụ thể gen này có liên
quan đến bƣớc nào trong quá trình phát triển của bộ rễ (có thể là giai đoạn bắt đầu hình thành rễ, quá trình duy trì các mơ phân sinh, hay các q trình khác của sự phát triển). Một điều đặc biệt là OsRPK1 đƣợc điều hòa bởi auxin, axits
abscisic (ABA) và các stress về mặn. Vai trò ảnh hƣởng của gen OsRPK1 đến khả năng thích ứng của hình thái rễ đối với các điều kiện stress còn cần đƣợc nghiên cứu thêm (Zou et al., 2014).
Ở Arabidopsis, SCARECROW (SCR), một yếu tố phiên mã (transcription
factor) của GRAS (GRAS family), cũng đặc trƣng cho vùng QC (Sabatini et al., 2003). Ở lúa, OsSCR1 đƣợc biểu hiện ở QC và cũng có thể tham gia vào việc xác định vùng QC (Ni et al., 2014). Sự biểu hiện của OsSCR1 bị suy giảm ở vùng mô phân sinh rễ tại các đốt thân gần gốc của các cây mang đột biến arl1 (Liu et al., 2005). Cùng với SHORTROOT (SHR), một yếu tố phiên mã GRAS khác, SCARECROW điểu khiển sự phân chia của nội bì/ tế bào ban đầu của lớp vỏ và sự biệt hóa nội bì ở Arabidopsis (Di Laurenzio et al., 2007; Cui et al., 2007). Ở lúa, cơ chế này cũng đƣợc bảo tồn, OsSCR1 cũng biểu hiện ở nội bì, tế bào ban đầu của lớp vỏ và ở giai đoạn sớm của sự biệt hóa của các tế bào nội bì (Ni et al., 2014). Hơn nữa, OsSCR1 có thể tƣơng tác với OsSHR1, điều này đƣợc quan sát
thấy tại vùng trung trụ của rễ nhƣng có thể đây chỉ là quá trình dịch chuyển để đi đến các tế bào phân sinh ở nội bì (Kamiya et al., 2003a; Cui et al., 2007; Ni et
nằm ngay bên trong biểu bì (Rebouillat et al., 2009; Coudert et al., 2010). Huang
et al. (2009) đã xác định đƣợc một đột biến cảm ứng với nhôm, ký hiệu là c68,
trong đột biến này sự biệt hóa của biểu bì và ngoại bì bị rối loạn, gen tƣơng ứng với đột biến này là DEFECTIVE IN OUTERCELL LAYER SPECIFICATION 1 (DOCS1), mã hóa một protein LRR RLK (Huang et al., 2012a). Kết quả này chỉ
ra rằng nghiên cứu sâu hơn về các gen liên quan đến hoạt động của mô phân sinh và các mô rễ theo cấu trúc xuyên tâm có thể sẽ giúp chúng ta xác định đƣợc những nguồn gen mới cho tính kháng và nâng cao khả năng thích ứng của cây lúa trong điều kiện đất đai bị nhiễm độc.
2.2.2.4. Các gen liên quan đến sự xuất hiện của rễ hậu phôi
Các rễ xuất hiện sau giai đoạn nảy mầm đƣợc gọi là rễ hậu phôi, đối với cây lúa, bộ rễ hình thành sau giai đoạn nảy mầm chủ yếu là rễ bất định phát sinh từ đốt thân sát mặt đất (CR), và các rễ bên (lateral root - LR) phát sinh từ các rễ chính (thƣờng là rễ bất định - CR). Khi hình thành, các mơ phân sinh rễ phải phát triển xuyên qua thân (đối với rễ bất định - CR) hoặc các mô rễ (đối với các rễ bên -LR). Sự xuất hiện của rễ bất định (CR) bị kích thích trong mơi trƣờng ngập nƣớc. Sự kích thích này phải thông qua tác động của ethylen, liên quan đến biểu hiện của các gen điều hịa chu trình tế bào của các mơ phân sinh rễ bất định (CR) và thúc đẩy, trong quá trình đồng tổng hợp với axit gibberellic, sự chết của tế bào biểu bì ở vùng rễ xuất hiện (Lorbiecke and Sauter, 1999; Mergemann and Sauter, 2000; Steffens et al., 2006). Nitric oxit (NO) cũng có tác động thúc đẩy sự xuất hiện của rễ bất định (CR), trong khi axit abscisic ức chế quá trình này (Steffens et
al., 2006; Xiong et al., 2009). Một chức năng vận chuyển auxin phân cực thông
qua sự điều hòa của gen OsPIN1 cũng cần thiết cho sự xuất hiện và phát triển rễ bất định (Xu et al., 2005). Trong đột biến Oscand1, mô phân sinh rễ bất định bị ức chế hoàn toàn và chúng hình thành nhƣng khơng hề xuất hiện (Wang et al.,