Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu họ gen TCP ở cây đậu gà trong stress phi sinh học

Luận án tiến sĩ nghiên cứu họ gen TCP, nhân tố phiên mã quan trọng trong cơ chế đáp ứng stress phi sinh học ở cây đậu gà Cicer arietinum.

• Tác giả: Trần Duy Cường
• Người hướng dẫn: Pgs. Trần Đăng Khánh
• Trường học: Viện Khoa Học Nông Nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên Cứu Họ Gen Mã Hoá Nhân Tố Phiên Mã TCP Trong Điều Kiện Bất Thuận Phi Sinh Học Ở Cây Đậu Cicer Arietinum
• Loại tài liệu: Luận án Tiến sỹ Nông nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Gen TCP ở đậu gà Khái niệm và tầm quan trọng

Gen TCP là một họ gen mã hoá nhân tố phiên mã TCP (TCP Transcription Factors) đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong sự phát triển và thích ứng của thực vật, đặc biệt là ở cây đậu gà (Cicer arietinum). Các gen này thuộc họ nhân tố phiên mã có khả năng điều chỉnh các hoạt động sinh học khi cây đối mặt với những điều kiện bất thuận phi sinh học như hạn hán, nhiễm mặn hay nhiệt độ cực đoan. Nghiên cứu về gen CaTCP trong bộ gen đậu gà đã mở ra những cơ hội mới để chọn tạo các giống chống chịu stress, góp phần nâng cao năng suất nông sản và đảm bảo an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu.

1.1. Định nghĩa nhân tố phiên mã TCP

Nhân tố phiên mã TCP là các protein có khả năng liên kết với DNA, điều chỉnh biểu hiện của những gen khác. Chúng chứa một miền bZIP-như đặc biệt, cho phép chúng tương tác với các yếu tố điều hoà cis trên vùng nhân mã của các gen mục tiêu. Ở thực vật, các TCP đặc biệt quan trọng trong điều khiển sự phát triển và đáp ứng với stress.

1.2. Vai trò của gen TCP trong cây đậu gà

Ở cây đậu gà, gen CaTCP có khả năng điều chỉnh các đường dẫn tín hiệu quan trọng liên quan đến stress phi sinh học. Những gen này góp phần vào việc điều tiết enzyme chống oxy hoá, cân bằng hormone thực vật, và bảo vệ cấu trúc tế bào khỏi tổn hại do stress gây ra.

II. Đáp ứng stress phi sinh học ở cây đậu gà

Stress phi sinh học là những tác động từ môi trường vô sinh như hạn hán, nhiễm mặn, nhiệt độ cao, hoặc ánh sáng không thích hợp mà cây phải chịu đựng. Cây đậu gà, một cây lương thực quan trọng, thường xuyên phải đối mặt với những điều kiện bất lợi này tại các vùng trồng trọt khác nhau. Khi gặp phải stress, cây khích hoạt các cơ chế phòng vệ, trong đó các gen mã hoá nhân tố phiên mã TCP đóng vai trò điều phối chính. Hiểu rõ cơ chế đáp ứng stress thông qua gen TCP giúp các nhà khoa học phát triển các giống đậu gà có khả năng chống chịu cao hơn.

2.1. Cơ chế đáp ứng stress ở thực vật

Khi cây chịu stress phi sinh học, tế bào nhận diện các tín hiệu bất lợi thông qua các cảm biến. Điều này kích hoạt những đường dẫn tín hiệu phức tạp, trong đó các nhân tố phiên mã TCP được biểu hiện tăng cao, dẫn đến kích hoạt các gen bảo vệ. Quá trình này liên quan đến sản xuất các chất chống oxy hoá, điều chỉnh hormone, và bảo vệ protein.

2.2. Những loại stress ảnh hưởng đến đậu gà

Cây đậu gà dễ bị ảnh hưởng bởi hạn hán (stress khô hạn), nhiễm mặn (stress muối), nhiệt độ cao, và ánh sáng mạnh. Mỗi loại stress yêu cầu các cơ chế phòng vệ khác nhau. Gen TCP có khả năng điều khiển biểu hiện của nhiều gen liên quan, giúp cây thích ứng với các điều kiện bất lợi khác nhau.

III. Phân tích cấu trúc và chức năng gen CaTCP

Nghiên cứu của tiến sỹ Trần Duy Cường đã thực hiện phân tích chi tiết về cấu trúc gen CaTCP ở cây đậu gà. Các kết quả cho thấy rằng họ gen này bao gồm nhiều thành viên khác nhau, mỗi thành viên có cấu trúc exon-intron riêng biệt. Phân tích vị trí nhiễm sắc thể của các gen CaTCP cho thấy sự phân bố không đều trên các bộ nhiễm sắc thể, gợi ý về các sự kiện sao chép gen trong quá khứ tiến hoá của cây đậu gà. Ngoài ra, dự đoán các yếu tố điều hoà cis trên vùng nhân mã của các gen này tiết lộ sự hiện diện của nhiều motif liên kết protein, cho phép điều khiển phức tạp trong điều kiện stress.

3.1. Cấu trúc domain và đặc tính protein TCP

Các protein CaTCP chứa miền bZIP-như đặc trưng, cấu trúc này cho phép chúng liên kết với DNA một cách đặc hiệu. Phân tích đặc tính protein bằng các phương pháp sinh học tính toán cho thấy các TCP này có độ ổn định cao, với các vùng bảo toàn cao giữa các loài thực vật khác nhau.

3.2. Yếu tố điều hoà cis và mạng lưới điều khiển gen

Yếu tố điều hoà cis được tìm thấy trong vùng nhân mã của các gen CaTCP bao gồm các motif kết hợp hormone và phần tử đáp ứng stress. Điều này chỉ ra rằng gen TCP được điều khiển bởi một mạng lưới phức tạp liên quan đến hormone thực vật và tín hiệu stress, cho phép sự điều chỉnh linh hoạt.

IV. Ứng dụng trong chọn tạo giống chống stress

Hiểu biết sâu sắc về gen TCP và cơ chế đáp ứng stress phi sinh học mở ra những cơ hội lớn trong lĩnh vực chọn tạo nông nghiệp. Các nhà khoa học có thể sử dụng thông tin về biểu hiện gen CaTCP và các gen liên quan để phát triển các giống đậu gà có khả năng chống chịu hạn hán, nhiễm mặn, và các loại stress khác. Thử nghiệm chuyển gen ở cây mô hình Arabidopsis chứa gen 35S:CaTCP07 đã cho thấy khả năng tăng cường chống hạn đáng kể. Những phát hiện này có thể được áp dụng trực tiếp để cải thiện các giống đậu gà địa phương, nâng cao năng suất và độ ổn định của cây trồng trước các thách thức của biến đổi khí hậu.

4.1. Công nghệ chuyển gen và phát triển giống mới

Phương pháp chuyển gen sử dụng Agrobacterium tumefaciens cho phép đưa gen CaTCP vào các cây chuyển gen. Các cây transgenic này thể hiện khả năng chịu hạn tốt hơn, được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ rò rỉ ion và biểu hiện enzyme chống oxy hoá. Những giống mới này có tiềm năng cao trong sản xuất nông nghiệp bền vững.

4.2. Tiến hóa chọn tạo với thông tin di truyền phân tử

Sử dụng thông tin về gen CaTCP như các marker phân tử, các chương trình chọn tạo truyền thống có thể được tăng cường hiệu quả. Xác định các haplotype của gen TCP liên quan đến khả năng chống stress giúp nhanh chóng xác định các cây cá thể mang các đặc tính mong muốn, giảm thời gian chọn tạo và nâng cao hiệu suất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về cây đậu gà 1. Nguồn gốc, và phân bố của cây đậu gà Đậu gà (Cicer arietinum L.) thuộc họ Fabaceae, có di tích khảo cổ với niên đại 10000 năm trước Công nguyên và được tìm thấy ở phía đông nam Thổ Nhĩ Kỳ hoặc ở các khu vực lân cận (Tây Bắc Syria), tương ứng với sự phân bố hiện tại của Cicer reticulatum, tổ tiên của đậu gà [106], [163], [177]. Tanno và cs., 2006 đã xem xét lại lý thuyết về nguồn gốc và sự phân bố của đậu gà và kết luận rằng hồ sơ sớm nhất về đậu gà ở Ấn Độ có niên đại từ năm 2000 trước Công nguyên tại Uttar Pradesh, đồng thời các hạt còn sót lại từ năm 300 trước Công nguyên đến năm 100 trước Công nguyên đã được tìm thấy gần Aurangabad [164].

Đánh giá báo cáo rằng đậu gà lan rộng theo sự di chuyển của con người về phía tây tới lưu vực Địa Trung Hải và về phía nam tới tiểu lục địa Ấn Độ thông qua Con đường tơ lụa (Afghanistan). Ở Ethiopia, phát hiện sớm nhất về đậu gà được báo cáo vào năm 1520 trước Công nguyên. Người Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha đã giới thiệu đậu gà đến thế giới vào khoảng năm 1500 sau Công nguyên, và đậu gà kabuli (đậu garbanzo) có nguồn gốc gần đây ở Ấn Độ (1500 sau Công nguyên). Tuy nhiên, với việc sử dụng các chỉ thị phân tử để đánh giá mức độ đa dạng di truyền trong và giữa các giống cho thấy các nước như Pakistan, Afghanistan, Đông nam nước Nga và Lebanon được đề xuất là trung tâm xuất xứ do có độ đa dạng cao [147].

Đặc điểm hình thái cây đậu gà Duke, 2012 đã mô tả cây đậu gà là “Cây thảo hàng năm, mọc thẳng hoặc mọc lan, phân nhánh nhiều, cao 0,2-1 m, màu ô liu, màu xanh đậm hoặc xanh lục [51]. Lá không có lông với 3-8 cặp lá chét và một lá chét trên cùng; từ hình trứng đến hình elip, dài 0,6-2,0 cm, rộng 0,3-1,4 cm; mép có răng cưa, đỉnh lá nhọn, đáy hình nêm; lá kèm có 2-5 răng. Hoa đơn nhưng đôi khi có 2- 5 3 hoa trên một chùm hoa, cuống dài 0,6-3 cm, lá bắc hình tam giác hoặc ba bên, hướng lên trên dài tới 2 mm; đài hoa dài 7-10 mm; tràng hoa màu trắng, hồng, tía (nhạt dần sang xanh) hoặc xanh lam, 0,8- dài 1,2 cm. Vỏ quả hình thoi, có 1-2 hạt, dài 1,4-3,5 cm, rộng 0,8-2 cm, phồng lên.

Hạt màu kem, vàng, nâu, đen hoặc xanh, tròn đến hình trứng dạng góc, 0,4-1,4 x 0,4-1 cm; vỏ hạt nhẵn hoặc nhăn nheo, hoặc có củ, được nén về phía sau với một rãnh ở giữa khoảng 2/3 hạt, có hình mỏ chim phía trước; cryptocotylar nảy mầm. Ra hoa mùa hè (Địa Trung Hải, Trung Đông), mùa đông (Ấn Độ); Quả mùa hè thu (Địa Trung Hải, Trung Đông), tháng 3-tháng 4 (Ấn Độ)”. Nhiều loại cây trồng từ họ Fabaceae, bao gồm cả đậu gà, là nguồn cung cấp nitơ cho đất rất lớn do cộng sinh với vi khuẩn Rhizobium, vi khuẩn cố định nitơ khí quyển trong đất. Phân loại đậu gà Có hai loại đậu gà được trồng riêng biệt: Desi và Kabuli: Loại Desi (microsperma) có hoa màu hồng tím, sắc tố anthocyanin trên thân và có màu và vỏ hạt dày.

Loại Kabuli (macrosperma) có màu trắng hoa, thiếu sắc tố anthocyanin trên thân và có hạt màu trắng hoặc màu be, có hình đầu cừu đực, vỏ hạt mỏng và bề mặt hạt nhẵn ( Hình 1. Các giống đậu gà có thể khác nhau về màu sắc và kích thước hoa, hạt, thời gian sinh trưởng, năng suất và khả năng chống chịu. Hạt đậu gà Desi được chứng minh là có vỏ hạt dày và nhiều loại màu sắc và sự kết hợp của màu nâu, vàng, xanh lá cây và đen. Những bông hoa được mô tả là có màu hồng, với một số trường hợp ngoại lệ có màu trắng và thực vật có sắc tố anthocyanin thay đổi, mặc dù một số có thể không có sắc tố như vậy trên thân cây [51].

Hạt đậu gà Kabuli có đặc điểm là màu trắng hoặc màu be, hình đầu cừu, mỏng vỏ hạt, bề mặt nhẵn, hoa màu trắng và không có sắc tố anthocyanin trên thân. Những hạt này có hàm lượng sucrose cao hơn, hàm 6 lượng chất xơ thấp hơn, kích thước lớn hơn và giá thị trường cao hơn so với của Desi [63].1: Hoa của hai loại đậu gà Desi và Kabuli A: Đậu gà Desi; B: Đậu gà Kabuli Cây đậu gà bắt đầu nảy mầm dưới đất và quá trình này bắt đầu xảy ra sau 7-15 ngày gieo hạt, tùy thuộc vào nhiệt độ đất và độ sâu gieo hạt. Chu kì sinh trưởng của đậu gà là không xác định, trong đó cây có thể tiếp tục phát triển sau khi bắt đầu ra hoa. Thời gian ra hoa kéo dài từ 40 đến 80 ngày tùy thuộc vào giống, địa điểm, tình trạng sẵn có của đất độ ẩm và điều kiện thời tiết.

Sự nứt bao phấn xảy ra bên trong chồi 24 giờ trước sự nở hoa, đặc trưng của hoa đậu gà là hoa đơn tính và tự thụ phấn. Trong điều kiện thuận lợi, thời gian từ khi thụ tinh đến khi đậu quả khoảng 6 ngày. Sau đó quả, quả phát triển nhanh chóng trong 10 đến 15 ngày và sau đó hạt phát triển. Tiếp theo sự phát triển của vỏ quả và sự lấp đầy hạt, quá trình lão hóa của các lá phụ bắt đầu.

Nếu độ ẩm của đất cao, việc ra hoa và đậu quả sẽ tiếp tục diễn ra ở các đốt 7 phía trên. Thu hoạch đậu gà xảy ra khi 90% thân và quả chuyển sang màu vàng nhạt [65]. Đậu gà có thể được trồng làm cây vụ đông ở vùng nhiệt đới và làm cây trồng mùa hè hoặc mùa xuân ở các môi trường ôn đới. Nhiệt độ, độ dài ngày và độ ẩm sẵn có là những yếu tố các yếu tố phi sinh học chính ảnh hưởng đến sự ra hoa.

Thông thường, sự ra hoa bị trì hoãn ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao và ngày ngắn. Đậu gà nhạy cảm với nhiệt độ cao (>35°C) cũng như nhiệt độ thấp (<15°C) trong giai đoạn sinh sản, dẫn đến giảm năng suất [65]. Điều kiện tối ưu từ 18°C-26°C vào ban ngày và 19°C-21°C vào ban ngày và đêm. Độ ẩm tương đối tối ưu cho tạo hạt là 21-41% [51].

Đất thích hợp nhất là đất mùn hoặc đất sét pha cát có độ pH từ 6,0 đến 8,0. Nơi trồng đậu gà nên có độ thoát nước tốt vì cây đậu gà rất nhạy cảm với điều kiện thông khí kém [65]. Mặc dù đậu gà có thể được trồng trong điều kiện hạn chế về độ ẩm, tuy nhiên cần cung cấp đủ độ ẩm cho sự sinh trưởng và phát triển thích hợp, đảm bảo tưới nước trong các giai đoạn quan trọng, chẳng hạn như sinh dưỡng và đậu quả để đạt năng suất cao [189]. Đa dạng di truyền đậu gà Hiện nay, các loài đậu gà hoang dã được nhóm thành ba nhóm gen (cấp một, cấp hai và cấp ba) dựa trên các nghiên cứu xem xét khả năng thích ứng và khả năng sinh sản của các giống lai khác loài với đậu gà trồng, phản ánh khoảng cách di truyền của chúng từ các loài được trồng [35].

Sự phát triển không đồng bộ của nhụy và bao phấn là một trong những rào cản lai tạo giữa các loài chính. Khả năng tương thích hạn chế dẫn đến suy giảm phân bào và hình thành giao tử mất cân bằng và do đó tạo ra các giao tử bị bất dục khi lai tạo [173], [178]. Nguồn gen sơ cấp bao gồm đậu gà được trồng C. arietinum và loài tổ tiên trực tiếp C.

reticulatum, có thể dễ dàng lai với C. arietinum; con cháu của các loài này hoàn toàn có khả năng sinh sản do sự kết hợp 8 nhiễm sắc thể tốt [171]. Vì vậy, đây là một nguồn gen tiềm năng để mở rộng cơ sở di truyền và nâng cao về các yếu tố năng suất và đặc tính chống chịu với điều kiện bất thuận của môi trường [15], [157]. Vốn gen thứ cấp bao gồm C.echinospermum, có thể lai với các loài đang được trồng nhưng bị giảm khả năng sinh sản của các giống con lai thu được và các thế hệ tiếp theo.

Nhóm còn lại bao gồm các loài Cicer còn lại như C. Những loài hoang dại này không thể dễ dàng được lai với đậu gà trồng thông qua các phương pháp nhân giống thông thường [157]. Bộ sưu tập nguồn gen đậu gà trên thế giới bao gồm 99.877 mẫu bao gồm 1476 loài Cicer hoang dã, được bảo tồn trong 120 ngân hàng gen trải rộng trên 64 quốc gia [135]. Ba ngân hàng nguồn gen đậu gà chính là Viện nghiên cứu ICRISAT với 18.963 nguồn gen được đăng ký trên ngân hàng gen, Cục Thực vật Quốc gia Tài nguyên Di truyền (NBPGR) ở Ấn Độ với 15.986 nguồn gen và và Trung tâm Quốc tế về Nghiên cứu Nông nghiệp ở vùng khô hạn (ICARDA) ở Lebanon với 13.

Giá trị dinh dưỡng của cây đậu gà Cây đậu gà là một trong những nguồn cung cấp carbohydrate và protein tốt nhất, chất lượng protein được coi là tốt hơn các loại đậu khác. Đậu gà có một lượng đáng kể tất cả các acid amin thiết yếu ngoại trừ các loại có chứa lưu huỳnh. Tinh bột là carbohydrate dự trữ chính trong hạt, tiếp theo là chất xơ, oligosaccharides và các loại đường đơn giản như glucose và sucrose. Lipid hiện diện với số lượng thấp nhưng đậu gà rất giàu axit béo không bão hòa quan trọng về mặt dinh dưỡng như axit linoleic, oleic, β-sitosterol, campesterol và stirysterol là những sterol quan trọng có trong dầu đậu gà [181].

Theo Cơ sở dữ liệu dinh dưỡng quốc gia của Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ về Bản phát hành kế thừa tham chiếu tiêu chuẩn, đậu gà có hàm lượng protein 9 cao, khoảng 20% trên toàn bộ trọng lượng khô¸ và chất xơ, khoảng 12% trên toàn bộ trọng lượng khô. Hàm lượng axit amin của đậu gà với tỷ lệ cao là các axit amin chuỗi nhánh. Trong đó, chứa 71,5 mg leucine trên mỗi gam protein, 43,1 mg isoleucine mỗi gam protein và 42,3 mg valine mỗi gam protein, đáp ứng nhu cầu 59 mg leucine mỗi g protein, 30 mg isoleucine mỗi g protein và 39 mg valine trên mỗi g protein, để tiêu thụ 0,66 g protein mỗi kg mỗi ngày, được tiết lộ bởi Tổ chức Y tế Thế giới. Wallace và cs.

Bên cạnh đó hạt đậu gà chứa hàm lượng oligosaccharide cao nhất trong số tất cả các loại cây trồng. a-Galactoside là loại carbohydrate dồi dào thứ hai trong hệ thực vật sau sucrose và trong đậu gà, chiếm khoảng 62% tổng lượng đường (mono-, di- và oligosaccharides).