ĐẶT VẤN ĐỀ 1. Tính cấp thiết của đề tài Sắn (Manihot esculenta) là một trong những giống cây trồng quan trọng được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau. Hiện nay, sắn được đánh giá là cây lương thực, hàng hóa và nguyên liệu thiết yếu, là giải pháp kinh tế cho hàng triệu nông dân sống ở những vùng nông thôn của Đông Nam Á, bao gồm cả Việt Nam (Chu Đức Hà và cộng sự, 2015). Vì thế, cây sắn đã thu hút được nhiều sự quan tâm trong thời gian gần đây, nhất là khi genome của loài vừa được giải mã thành công.
Mặt khác quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật chịu ảnh hưởng bời rất nhiều yếu tố ngoại cảnh và bệnh hại. Thực vật thích nghi được điều kiện ngoại cảnh đó là nhờ vào cơ chế điều hoà và biểu hiện hoạt động của các nhóm gene chức năng trong đó có nhóm protein điều hoà đặc biệt là các TF (transcription factor, nhân tố phiên mã) là một trong những nhóm protein điều hòa sự biểu hiện của các gen liên quan đến hàng loạt quá trình sinh học diễn ra trong cơ thể. Nhóm TF GATA là nhóm điều hòa phiên mã quan trọng đối với sự phát triển và phản ứng của thực vật khi có các kích thích từ môi trường. Trong mạng lưới điều hòa, các TF hoạt động như dấu hiệu phân tử để điều chỉnh sự biểu hiện của các gen xuôi dòng có liên quan đến phản ứng bệnh hại có trong các vùng khởi động của chúng, do đó kích hoạt các quá trình sinh học khác nhau trong quá trình thực vật thích nghi với bệnh hại.
Hiện nay, ngày càng có nhiều bằng chứng cho thấy rằng các gen gây căng thẳng mã hóa TF có thể có tiềm năng lớn trong việc phát triển cây trồng chuyển gen với năng suất ổn định dưới áp lực của môi trường (Chen et al., 2015; Guttikonda et al., 2014; Jin et al. Các báo cáo đã xuất bản chứng minh rằng các TF GATA không chỉ tham gia vào phản ứng của thực vật đối với stress 1 nitơ thấp (Zhang et al., 2015), mà còn đóng vai trò điều tiết đối với sự tăng trưởng và phát triển của thực vật (Behringer và Schwechheimer, 2015; Jin et al., 2019), chẳng hạn như như các phản ứng (Richter et al., 2013), cũng như trong quá trình truyền tín hiệu hormone ở thực vật (Luo et al. Tuy nhiên, các chức năng của GATA trong cây sắn đối phó với bệnh hại chưa được nghiên cứu. Xuất phát từ thực tiễn đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu đặc tính cấu trúc cà phân tích biểu hiện gen của TF GATA ở cây sắn (Manihot esculenta)”.
Mục đích và yêu cầu của đề tài 1. Mục đích của đề tài Đề tài được thực hiện nhằm xác định, phân tích cấu trúc và đánh giá biểu hiện gene mã hóa TF GATA ở cây sắn nhằm bổ sung dữ liệu về nhân tố phiên mã GATA liên quan đến thực vật trong tiến hoá. Yêu cầu đề tài Đề tài bao gồm 5 yêu cầu chính sau đây: - Xác định và chú giải họ gene mã hoá GATA ở sắn. - Phân tích đặc tính của protein GATA ở sắn.
- Phân nhóm của GATA ở sắn. - Đánh giá mức độ biểu hiện của gene mã hoá GATA ở sắn trong điều kiện thường. - Đánh giá mức độ biểu hiện của gene mã hoá GATA ở sắn trong điều kiện lây nhiễm bệnh CBSD nhân tạo 1. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 1.
Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu này sẽ tạo cơ sở khoa học cho nghiên cứu tiếp theo về gene mã hóa TF GATA liên quan đến quá trình tiến hoá của cây sắn. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu này nhằm cung cấp những hiểu biết cơ bản về cấu trúc và biểu hiện gene mã hóa TF GATA 3 PHẦN II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu chung về cây sắn Cây sắn là cây lương thực ăn củ có thể sống lâu năm, thường được gọi với tên khác là khoai mì. Hiện nay, sắn đang được coi là cây trồng đem lại giải pháp kép nhằm đạt mục tiêu: góp phần đảm bảo an ninh lương thực và cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp sản xuất nhiêu liệu sinh học, từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch.
Tên khoa học, phân loại thực vật và nguồn gốc của cây đậu sắn Sắn (miền Bắc) hay khoai mì (miền Nam) có tên khoa học là Manihot esculenta Crantz. Có danh pháp hai phần Manihot esculenta, tên trong các ngôn ngữ khác: cassava, tapioca, yuca, mandioca, manioc, maniok, singkong, ubi kayu, aipim, macaxeir, kappa, maracheeni, thuộc chi sắn (Manihot), họ Thầu dầu (Euphorbiaceae), bộ Sơ ri (Malpighiales), lớp Hai lá mầm (Magnoliopsida) và thuộc ngành Ngọc Lan (Magnoliophyta). Là cây lương thực ăn củ có thể sống lâu năm. Sắn có nguồn gốc ở vùng nhiệt đới của châu Mỹ La tinh và được trồng cách đây khoảng 5.
Ở thế kỷ XVI, sau khi người châu Âu tới châu Mỹ, họ đã đưa cây sắn (và nhiều loại cây khác) tới khắp nơi trên thế giới, theo các tuyến buôn bán hàng hải. Cụ thể, cây sắn được du nhập đến Congo của Châu Phi bởi người Bồ Đào Nha (STARCH IN FOOD VN, 2020). Sắn được du nhập vào châu Á vào khoảng thế kỷ XVII và đầu thế kỳ XVIII ở Ấn Độ và Sri Lanka. Cho đến khoảng cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX sắn được trồng ở các nước, bao gồm Myanma, Trung Quốc và các nước châu Á khác (Fang et al.
Cây khoai mì được du nhập vào Việt Nam khoảng giữa thế kỷ XVIII (Phạm Văn Biên và Hoàng Kim, 1995). 4 Mặc dù vậy cây sắn đã được đưa vào trồng và sản xuất với quy mô rộng rãi tại Việt Nam ở khoảng thế kỷ XX (Malik et al. Với một diện tích đất trồng lên đến khoảng 25% diện tích trồng ở Đông Nam Á thì có thể nói KM 94 (Khoai mỳ 94) là giống sắn hết sức quan trọng đối với nền nông nghiệp của Việt Nam nói riêng và trên toàn thế giới nói chung. Đến từ Thái Lan với giống sắn có tên quốc tế là KU 50 (Kasetsart University 50).
Đã được công nhận chính thức vào năm 1993, và ngay sau đó giống sắn KU 50 đã được đưa vào Việt Nam vào năm 1995 và đã được công nhận là giống sắn quốc gia với tên gọi KM 94 (Chu Đức Hà và cộng sự. Dù vậy ở Việt Nam, cây sắn vẫn được canh tác một cách phổ biến và rộng rãi trên hầu hết các tỉnh và còn là nguồn thu nhập chính của rất nhiều hộ gia đình sống tại vùng ven biển Nam Trung Bộ và vùng ven biển Bắc Trung Bộ. Một số đặc điểm chung về hình thái của cây sắn Sắn được biết đến khi là một loại cây rất đa dạng về giống nhưng phân biệt sắn lại đơn giản qua các bộ phận và cơ quan có thể nhìn thấy được như lá, cuống lá, thân và củ (Chu Đức Hà và cộng sự, 2015). Hình thái, tính ổn định của sắn khó có thể bị thay đổi do điều kiện ngoại cảnh (Trần Ngọc Ngoạn, 2007).
Cây sắn là một loại cây bụi bán thân gỗ lâu năm hoặc cây gỗ nhỏ với chiều cao lên đến 7m (Hình 1. Thân của cây sắn thuộc loại thân gỗ, là một thân đơn, mọc thẳng có chiều cao khoảng từ 2 - 3m, có đường kính trung bình khoảng từ 2 - 6cm. Khi thân cây còn non màu của thân thường là màu xanh hoặc màu đỏ tía, khi thân cây đã già, màu của thân sẽ thay đổi thành màu vàng, xám, trắng bạc hay xám lục (Hoang Kim và cộng sự, 2010). Các yếu tố như giống sắn, thời gian trồng, thời gian chiếu sáng và mức độ thâm canh của sắn cũng ảnh hưởng rất lớn đến chiều cao, năng xuất sản lượng cây sắn.
Tùy thuộc vào từng giống, thân sắn không phân cành hoặc phân cành từ 1-3 lần, có những giống lên tới 10 lần. Sự phân cành này sẽ liên quan đến khả năng ra hoa của 5 cây. Cấu tạo của thân sắn gồm 4 lớp gồm lõi, tầng gỗ, mô mềm của vỏ và tầng bần. Thân sắn còn được đem đi nhân giống vô tính và cũng là yếu tố quan trọng trong công tác chọn tạo giống sắn (Trần Ngọc Ngoạn, 2007).
Hình ảnh cây sắn (Manihot esculenta Crantz) (Nguồn: Plant of the world online) Lá của cây sắn thuộc loại lá đơn, có chia thùy và mọc xen kẽ trên thân, một vòng có năm lá được xếp thành. Lá sắn được chia làm hai phần gồm cuống lá và phiến lá. Chiều dài của lá tùy thuộc vào từng giống sắn khoảng từ 3 – 30cm. Phiến lá có thể không chia thùy hoặc chia thùy, trung bình thường có 5 - 7 thùy (Trần Ngọc Ngạn, 2007).
Số lượng thùy trên mỗi lá là khác nhau, tùy thuộc vào từng giống sắn mà số lượng thùy có thể ít (3 - 4 thùy), có thể nhiều (9 - 10 thùy) (Hoang Kim và cộng sự, 2010). Hình ảnh lá của cây sắn (Nguồn: Plant of the world online) Sắn thuộc loại hoa đơn tính. Hoa cái và hoa đực đều có năm lá đài. Quả sắn thuộc loại quả nang, có ba ô, trong mỗi một ô có một hạt, có đường kính từ 1-1,5cm.
Màu sắc từ lục nhạt đến đỏ tía. Quả sắn được hình thành từ những cánh của bầu hoa và thường có 6 cánh. Vỏ của quả sắn có ba lớp vỏ quả ngoài, vỏ quả giữa, vỏ quả trong (Hoang Kim và cộng sự, 2010) (Hình 1. Hình ảnh hoa của cây sắn (Nguồn: Plant of the world online) Rễ của cây sắn có thể mọc từ hạt và từ hom.
Với rễ sắn mọc từ hom, ban đầu rễ sẽ mọc ngang và sau đó cũng sẽ mọc cắm sâu xuống dưới đất. Còn đối với rễ sắn mọc từ hạt sẽ có hai loại rễ, một loại rễ cọc mọc theo hướng cắm theo phương thẳng đứng xuống đất, còn loại rễ phụ, lúc đầu mọc theo chiều ngang sau đó mọc thẳng đứng. Cả hai loại rễ đều có khả năng phát triển thành củ (Trần Ngọc Ngoạn, 2007). Củ sắn thường phát triển theo hai hướng nằm ngang hoặc chếch xuyên sâu vào đất.
Củ sắn có hình dạng nhọn hai đầu, chiều dài củ dao động từ 40 – 50cm và có đường kính từ 5 – 7cm. Tiết diện ngang của củ sắn được chia làm bốn phần, bao gồm phần vỏ gỗ, tầng nhu mô vỏ (phần vỏ thịt), mô dự trữ (phần thịt củ), lõi sắn (mạch gỗ và gỗ). Phần vỏ gỗ được cấu tạo bởi cellulose, dày từ 0,2 – 0,6cm, chiếm khoảng 3% khối lượng của củ, có nhiệm vụ là bảo vệ, tránh các yếu tố gây tổn hại củ. Phần vỏ thịt dày từ 0,5 – 0,6cm chiếm 5 – 20% khối lượng củ, chứa cellulose, tinh bột, các sắc tố và 8 men.