Những năm gần đây, trên thế giới có nhiều nghiên cứu đi sâu tìm
hiểu vai trò của gen expansin liên quan đến sự kéo dài bộ rễ tham gia vào khả năng chịu hạn của thực vật và đã có những đóng góp đáng kể. Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng expansin là một họ protein có chức năng mở rộng thành tế bào và được coi là loại protein chủ yếu có ảnh hưởng đến việc kéo dài tế bào rễ ở thực vật. Ở cây đậu tương Lee (2003) [25] đã nghiên cứu phân lập gen
GmEXP1và mRNA của gen này có kích thước 1089bp,mã hóa cho 255 amino
acid. Lee và các cộng sự năm 2011 đã tiếp tục nghiên cứu biểu hiện gen expansin. Mức độ biểu hiện của gen GmEXP1 rất mạnh trong khoảng thời gian hạt nảy mầm từ 1 ngày đến 5 ngày tuổi và giai đoạn kéo dài rễ diễn ra rất nhanh, khi nghiên cứu biểu hiện của gen GmEXP1ở cây thuốc lá cho thấy gen
GmEXP1đã làm tăng sự phát triển rễ của cây thuốc lá chuyển gen và ít chịu tác
động từ môi trường ngoài [26]. Các kết quả nghiên cứu cho thấy gen GmEXP1
đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển rễ của cây đậu tương, đặc biệt là trong quá trình kéo dài của rễ chính và rễ thứ cấp.
Ở cây đậu tương thì gen GmEXP1, GmEXP2 và các expansin khác trong họ có độ tương đồng cao, chỉ khác ở hàm lượng amino acid. Nhiều gen đã được phân lập từ một loạt các loài thực vật khác nhau và kết quả chỉ ra rằng chúng tạo thành một họ expansin (expansin multigene). Công trình nghiên cứu của Li (2002) gần đây đã phân loại expansin thành ba phân họ α-, β-và γ-expansin, dựa trên mối quan hệ phát sinh loài của chúng [29]. Link và Cosgrove (1998) [30] cũng đã phân loại trước đó các phân họ α-expansin thành bốn nhóm; A, B,
C và D ở cây thuốc lá. Phân tích sự phát sinh loài Lee và đtg [26] chỉ ra rằng
GmEXP1 thuộc nhóm D, trong đó bao gồm NtEXP3, OsEXP1, trong khi
GmEXP2 thuộc nhóm A,trong đó bao gồm AtEXP6 , PsEXP1 và LeEXP18.
Kết quả phân tích RNA bằng Northern blot của Lee và đtg (2008) cho thấy gen GmEXP1 được biểu hiện mạnh ở rễ, đặc biệt khi đang trong quá trình hình thành các rễ chính và rễ phụ. Nghiên cứu ở mầm 5 ngày tuổi còn cho thấy trong thời kì này thì sự tăng trưởng của rễ chính giảm còn các rễ phụ lại được phát triển mạnh. Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng gen GmEXP1 có liên quan đến sự kéo dài rễ của cây đậu tương. Phân tử mRNA của gen GmEXP1
thường được các khu vực hóa với các lớp tế bào biểu bì và nằm ở dưới vùng kéo dài của rễ sơ cấp ở đậu tương, mRNA của gen GmEXP1 tập trung nhiều nhất trong phần đầu rễ, nơi xảy ra sự kéo giãn tế bào. Nghiên cứu của Guo (2011) [23] tìm ra GmEXP1và GmEXPB2 ở đậu tương về bản chất có liên quan đến cấu trúc hệ thống tế bào ở rễ phù hợp với stress phi sinh học từ môi trường . Kam (2005) khi nghiên cứu ở ngô cũng đưa ra kết luận tương tự về vai trò của EXP đối với stress phi sinh học từ môi trường [23]. Kết quả của các thí nghiệm của Lee chỉ ra rằng gen GmEXP1 chủ yếu biểu hiện ở các vùng phân chia tế bào và kéo dài của rễ sơ cấp và thứ cấp. Gen GmEXP1 biểu hiện ở các tế bào trong lớp biểu bì và các lớp tế bào cơ bản của khu vực kéo dài của rễ chính. Các kết quả nghiên cứu về gen GmEXP1 đã gợi ý rằng sự biểu hiện của
gen GmEXP1 xảy ra trong thời gian và vị trí xác định của quá trình phát triển
của rễ cây đậu tương [21], [24].
Hiện nay, vai trò của expansin trong quá trình phát triển rễ của cây đậu tương vẫn chưa được làm sáng tỏ mặc dù đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu. Tuy nhiên, hướng tiếp cận nghiên cứu chức năng của họ gen expansin trong quá trình phát triển của rễ, sự tham gia của các protein trong quá trình cải thiện
thành tế bào trong các lớp tế bào biểu bì rễ, trong việc điều hành các hoạt động kéo dài và trưởng thành của cây cũng sẽ được quan tâm nghiên cứu [10]. Hầu hết sự gia tăng chiều dài rễ bắt đầu từ sự kéo dài tế bào ở vùng sinh trưởng của rễ và biểu hiện của GmEXP1 ban đầu thể hiện rõ ở các rễ sơ cấp, sau đó thì giảm dần và cây càng lớn sự biểu hiện của GmEXP1 càng thấy rõ rệt ở khu vực rễ thứ cấp.
Theo Lee (2003) phân tử mRNA của gen GmEXP1 giống đậu tương mang mã số AF516879 có kích thước 1089 bp, vùng mã hóa của gen có 768 nucleotid từ nucleotide 52 đến nucleotide 819, mã hóa cho 255 amino acid, từ vị trí số 1 đến vị trí amino acid thứ 255(hình 1.1)
Hình 1.1. Trình tự của vùng mã hóa của gen GmEXP1 ở đậu tương
Hình 1.2 trình bày về gen GmEXP1 và protein với hai vùng chức năng của protein EXP1 ở cây đậu tương là DPBB và Pollen allerg.
Hình 1.2. Sơ đồ về gen và protein EXP1 ở cây đậu tương
Trình tự amino acid của protein EXP1 có chứa vùng bảo thủ DPBB và vùng Pollen allerg. Vùng DPBB(Double-Psi Beta-Barrel) có 91 amino acid, từ vị trí amino acid 64 đến 152 (Hình 1.3). DPBB là một vùng bảo thủ của Rare Lipoprotein A (RlpA) có cấu trúc bởi hai chuỗi dạng cuộn gấp kiểu beta (DPBB). Chức năng của RlpA đến nay vẫn chưa được làm rõ, nhưng hoạt động của nó đã được chứng minh như một chất kìm hãm sự phát sinh đột biến ở
E.coli. Khúc cuộn DPBB thường là một miền enzyme và các thành viên của họ
DPBB là khá đa dạng và có tính đặc trưng.
Vùng Pollen allerg có 77 amino acid từ vị trí amino acid số 163 đến vị trí amino acid 240 (Hình 1.4) [34].
Hình 1.4. Trình tự amino acid của vùng Pollen allerg của proteinEXP1
Vì vậy việc nghiên cứu về gen GmEXP1 ở các giống đậu tương khác nhau sẽ tạo cơ sở cho việc định hướng nghiên cứu biện pháp công nghệ mới nhằm tăng cường khả năng chịu hạn của cây đậu tương.
Chương 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU