3. Nội dung của đề tài
1.2.6.NAC và vai trò của NAC với tính chịu hạn của cây ngô
NAC là yếu tố quan trọng điều chỉnh quá trình phiên mã liên quan đến sự tăng trƣởng, phát triển và phản ứng lại stress ở thực vật. NAC đƣợc mô tả lần đầu tiên bởi Souer và cộng sự. NAC gồm ba gen phiên mã là NAM (No Apical Merstem), ATAF1,2 và CUC2(Cup Shaped Cotyledon). Đây là một tập hợp lớn nhất bao gồm các yếu tố phiên mã (TFs) đặc hiệu liên quan đến nhiều quá trình sinh lí khác nhau trong cơ thể thực vật. Trong đó NAM đƣợc phân lập từ cây dã yên thảo (Petunia hybrida), ATAF1,2 và CUC2 đƣợc phân lập từ chi Arabidopsis. Các sản phẩm của gen NAM là cần thiết cho sự hình thành mô phân sinh đỉnh và xác định vị trí chính xác của lá mầm trong cây [47]. ATAF1, ATAF2 và CUC2 có vai trò giúp cây Arabidopsis chống lại hạn hán và các mầm bệnh [24], [32].
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điểm đặc trƣng của các protein trong tập hợp các yếu tố phiên mã NAC (TFs NAC) là sự bảo tồn cao miền tận cùng N, gọi là miền NAC và một một trình tự phiên mã thay đổi ở đầu tận cùng C, do đó có thể ức chế hay kích hoạt sự sao chép của nhiều gen. Các gen NAC có mặt ở hầu hết các loài thực vật nhƣ: Lúa gạo, chi
Arabidopsis, ngô, khoai tây, chuối, thuốc lá, đậu tƣơng…và giữ nhiều chức năng quan trọng. Theo thống kê gần đây các gen NAC có ở chi Arabidopsis là 106 gen [39], ở lúa là 149 gen [34], ở bộ đậu tƣơng là trên 101 gen và còn có ở rất nhiều loài thực vật khác mà chúng ta vẫn đang tiếp tục nghiên cứu.
Trƣớc đây, khi chƣa có nhiều nghiên cứu về các gen NAC thì chúng chỉ đƣợc biết đến với vai trò tham gia vào phản ứng lại những áp lực khác nhau của môi trƣờng nhƣ hạn hán, nồng độ muối cao, phèn… Nhƣng đến nay, với những nghiên cứu mang tính chuyên sâu và mở rộng ngƣời ta đã phát hiện ra nhiều chức năng quan trọng khác của các gen NAC liên quan đến các quá trình sinh lí khác nhau nhƣ tổng hợp thành tế bào, quá trình hình thành hạt, hình thành phôi, điều hòa sự chín của quả….
Ở lúa ngƣời ta đã xác định đƣợc một số lƣợng lớn các gen NAC chẳng hạn nhƣ: SNAC1 , SNAC2, OsNAC6,OsNAC5, OsNAC10…Trong đó gen OsNAC5,
OsNAC6 biểu hiện giúp cây phản ứng lại các tác nhân nhƣ hạn hán, lạnh và độ mặn cao, acid abscisic và acid jasmonic [34].
Bên cạnh đó, OsNAC6 còn đƣợc biểu hiện bởi sự phản ứng lại vết thƣơng và bệnh đạo ôn. OsNAC6 kích hoạt sự biểu hiện của ít nhất hai gen trong đó có một gen mã hóa peroxidase. OsNAC6 có chức năng kích hoạt phiên mã để đáp ứng với áp lực môi trƣờng. Các cây lúa đƣợc chuyển gen OsNAC5 hoặc OsNAC6 đã tăng khả năng chống chịu với nhƣng áp lực mất nƣớc, muối cao cũng nhƣ tăng khả năng chịu bệnh đạo ôn. Hơn nữa, việc tăng lƣợng OsNAC5 ,OsNAC6 không làm chậm tăng trƣởng của cây. Nhƣ vậy, OsNAC5 ,OsNAC6 cũng nhƣ một số gen khác sẽ đƣợc sử dụng nhiều trong công nghệ sinh học nhằm cải thiện khả năng chống chịu của lúa mà không làm ảnh hƣởng đến sự tăng trƣởng [45].
Jasmonic acid (JA) là một phytohormone tham gia vào nhiều phản ứng gây stress khác nhau, các gen đƣợc cho là có vai trò bảo bệ khỏi các tác nhân gây bệnh
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
đƣợc gây ra bởi JA là: GRAB2, RIM1 (ONAC054), ANAC019, ANAC055, và ATAF-2 (ANAC081)…[33], [34].
Những nghiên cứu khác trên các đối tƣợng thuộc chi Arabidopsis các nhà khoa học đã phân lập đƣợc khoảng 149 gen NAC. Gen NAC1 ở Arabidopsis đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của rễ bên. Gen NAC có chức năng kiểm soát sự phân chia và mở rộng tế bào trong nhị hoa và cánh hoa. Một số gen NAC khác ở chi
Arabidopsis liên quan đến khả năng chịu hạn nhƣ ATAF-1 (ANAC002) , ANAC019, ANAC055, NTL6 (ANAC062), và RD26 (ANAC072) [24].
Phân tích biểu hiện gen ở Arabidopsis và lúa cho thấy quá trình hình thành cấu trúc của thành tế bào thứ cấp là một cơ chế kiểm soát kết hợp của 3 nhóm gen NAC: SND, NST và VND. Hầu hết cả ba gen này ƣu tiên thể hiện ở thân cây đặc biệt ở lóng thứ hai. Các gen SND (SND1, SND2) và gen NST đƣợc ƣu tiên phát triển ở các mô gốc làm kéo dài rễ liên quan đến khả năng chịu hạn của cây. Việc nghiên cứu các gen liên quan đến quá trình sinh tổng hợp thành tế bào nhằm ứng dụng trong sản suất sinh khối thực vật ở quy mô công nghiệp [25].
Wei và đtg đã phân lập đƣợc 6 gen NAC (MaNAC1, MaNAC 2, MaNAC3, MaNAC4, MaNAC5, MaNAC6 ) tham gia vào quá trình chín của trái cây chuối thông qua sự tƣơng tác với thành phần tín hiệu ethylen. Phân tích ở mức độ các bào quan cho thấy ptotein MaNAC1- MaNAC5 đƣợc ƣu tiên phân bố nhiều hơn ở trong nhân, trong khi MaNAC6 đƣợc phân bố ở hầu khắp các tế bào Gen ATAF2 có liên quan đến phản ứng tự vệ của cây trồng, trong đó có sự chống lại virus, điển hình là virus khảm thuốc lá (TMV) [44].
Gần đây, nhiều bằng chứng đã chỉ ra rằng một phần đáng kể miền protein của NAC đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển chất xơ xylogenesis và sự hình thành gỗ trong thực vật có mạch . AtNAC102 tham gia vào điều chỉnh tỷ lệ nảy mầm của hạt giống trong điều kiện oxi thấp. SINA1 và SINAM1 tham gia vào phản ứng chịu mặn ở cà chua.
Ở ngô, ngƣời ta phân lập đƣợc 7 gen NAC gồm: tc258020, Zm017452, Zm029753, Zm020717, Zm020987, Zm4253255028 và Zm390255026. Nghiên cứu ở các loại mô khác nhau nhƣ rễ, lá, bẹ lá thì thấy mức độ biểu hiện của các gen ở mỗi
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
mô có sự khác nhau. Hai gen tc258020 và Zm020717 có mức độ biểu hiện ở rễ cao hơn so với các mô khác. Zm020987 và Zm390255026 có mức độ biểu hiện ở tai và thân cây thấp hơn so với các mô khác phân tích. Zm029753 và Zm4253255028 tích lũy trong tất cả các cơ quan và các giai đoạn phát triển [35], [42].
Bên cạnh những vai trò quan trọng kể trên thì gen NAC cũng có những tác động tiêu cực trong từng điều kiện môi trƣờng, chẳng hạn nhƣ trong điều kiện độ mặn cao, gen NTM2 là 1 tín hiệu trung gian kết hợp với tín hiệu auxin làm giảm khả năng nảy mầm của hạt giống. Các dòng Arabidopsis có lƣợng ATAF1 quá nhiều sẽ tạo ra nhiều kiểu hình thay đổi bao gồm cả bệnh còi cọc và rễ chính ngắn [39].
Nói tóm lại, tập hợp các yếu tố phiên mã NAC (TF NAC) đã đƣợc các nhà khoa học nghiên cứu rộng rãi và phát hiện ra nhiều vai trò quan trọng liên quan đến quá trình sinh lý đa dạng bao gồm cả phát triển mô phân sinh đỉnh, quy định hình thái của hoa, lá hình thành và rụng, phát triển phôi, phát triển hạt, sinh tổng hợp flavonoid, phát triển rễ bên, xác định vị trí nhánh, quá trình tổng hợp thành tế bào thứ cấp, truyền tín hiệu trung gian liên quan đến chất điều hòa sinh trƣởng và các phản ứng đối với stress sinh học hay phi sinh học nhƣ nhiễm nấm, hạn hán, độ mặn cao và gây thƣơng tích cơ học. Tất cả tác nhân trên ảnh hƣởng rất lớn đến sự sinh trƣởng và triển của thực vật. Vì vậy, việc nghiên cứu các gen liên quan và cơ chế tác động của chúng đến quá trình sinh lí của tế bào cũng nhƣ toàn bộ cơ thể thực vật là rất cần thiết.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Chƣơng 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU