Nghiên Cứu Đặc Điểm Gene Vận Chuyển Đường Ở Cây Ceratopteris Richardii

Nghiên cứu về gene vận chuyển đường (SWEET) ở Ceratopteris richardii mở ra hướng tiếp cận mới trong việc… 74 trang · Học viện Nông nghiệp Việt Nam · 2022.

• Tác giả: Nguyễn Thị Yến Linh
• Người hướng dẫn: TS. Chu Đức Hà
• Trường học: Học viện Nông nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên Cứu Gene Vận Chuyển Đường Ở Cây Ceratopteris Richardii
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 2. DANH MỤC VIẾT TẮT
• 3. DANH MỤC BẢNG
• 4. DANH MỤC HÌNH ẢNH
• 5. TÓM TẮT
• 6. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 7. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
• 8. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 9. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN
• 9.1. Ý NGHĨA KHOA HỌC
• 9.2. Ý NGHĨA THỰC TIỄN
• 10. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 10.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÂY C.
• 10.2. HỆ THỐNG PHÂN LOẠI CÂY C.
• 10.3. NGUỒN GỐC, XUẤT XỨ CÂY C.
• 10.4. ĐẶC ĐIỂM HÌNH THÁI CỦA CÂY C.
• 10.5. VAI TRÒ CỦA CÂY C.
• 10.6. VAI TRÒ CỦA SUCROSE VÀ QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN SUCROSE Ở THỰC VẬT
• 10.7. TỔNG QUAN VỀ SWEET
• 10.8. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU VỀ HỌ PROTEIN VẬN CHUYỂN SUCROSE Ở THỰC VẬT
• 10.9. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
• 10.10. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
• 11. PHẦN III. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 11.1. THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU
• 11.2. DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU
• 11.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 11.4. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VÀ CHÚ GIẢI HỌ GEN MÃ HÓA PROTEIN VẬN CHUYỂN SWEET Ở CÂY C.
• 11.5. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC GEN CỦA PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG SUCROSE Ở CÂY C.
• 11.6. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH VÀ DỰ ĐOÁN CƯ TRÚ NỘI BÀO CỦA PROTEIN VẬN CHUYỂN SWEET Ở CÂY C.
• 11.7. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ HÌNH CÂY CỦA NHÓM PROTEIN SWEET Ở CÂY C.
• 12. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 12.1. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH VỊ TRÍ PHÂN BỐ CỦA NHÓM GEN MÃ HÓA PROTEIN SWEET Ở CÂY C.
• 12.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ PHÂN NHÓM THEO CHỨC NĂNG CỦA PROTEIN SWEET Ở CÂY C.
• 12.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC HỌ GEN MÃ HÓA PROTEIN SWEET Ở CÂY C.
• 12.4. KẾT QUẢ XÂY DỰNG CÂY PHÂN LOẠI CỦA HỌ PROTEIN CERICSWEET
• 12.5. DỰ ĐOÁN VỊ TRÍ CƯ TRÚ NỘI BÀO VÀ TÍNH TOÁN TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA PROTEIN VẬN SWEET Ở CÂY C.
• 12.6. KẾT QUẢ DỰ ĐOÁN VỊ TRÍ CƯ TRÚ NỘI BÀO CỦA SWEET
• 12.7. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TÍNH CHẤT LÝ HÓA CỦA SWEET
• 13. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Gene Vận Chuyển Đường Ceratopteris Tổng Quan Nghiên Cứu 55

Nghiên cứu về gene vận chuyển đường (SWEET) ở Ceratopteris richardii mở ra hướng tiếp cận mới trong việc hiểu rõ cơ chế sinh học phân tử của loài dương xỉ này. Ceratopteris richardii ngày càng được quan tâm bởi khả năng xử lý môi trường và tiềm năng ứng dụng trong xanh hóa khuôn viên công sở. Khóa luận này tập trung vào việc xác định đặc điểm và biểu hiện của nhóm gene mã hóa protein vận chuyển đường trong Ceratopteris richardii, đóng góp vào cơ sở dữ liệu khoa học về sinh học phân tử cây Ceratopteris. Việc hiểu rõ hơn về quá trình vận chuyển đường ở thực vật nói chung và Ceratopteris richardii nói riêng có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa sinh trưởng và phát triển của cây.

1.1. Giới Thiệu Chung Về Gene Vận Chuyển Đường SWEET

Gene vận chuyển đường (SWEET) đóng vai trò then chốt trong quá trình vận chuyển đường ở thực vật. Chúng điều khiển sự phân phối đường trong cây, ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng, phát triển và khả năng chống chịu stress. Các nghiên cứu trước đây đã chứng minh vai trò quan trọng của protein vận chuyển đường trong nhiều quá trình sinh học. SWEET thuộc vùng bảo thủ PF03083. Tìm hiểu về chức năng gene vận chuyển đường là cần thiết để khai thác tiềm năng của Ceratopteris richardii.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Trên Ceratopteris Richardii

Ceratopteris richardii là mô hình thực vật lý tưởng cho nghiên cứu sinh học phân tử. Với bộ gene tương đối nhỏ và vòng đời ngắn, Ceratopteris richardii sinh trưởng và phát triển nhanh chóng, dễ dàng cho các thí nghiệm di truyền và phân tích gene thực vật. Thêm vào đó, khả năng thích ứng của Ceratopteris richardii với môi trường khác nhau làm tăng giá trị của nghiên cứu này trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

II. Thách Thức Nghiên Cứu Gene Vận Chuyển Đường ở Thực Vật 60

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về gene vận chuyển đường ở các loài cây khác, nhưng kiến thức về gene vận chuyển đường ở Ceratopteris richardii còn hạn chế. Việc xác định và phân tích cấu trúc gene vận chuyển đường ở loài dương xỉ này gặp nhiều khó khăn do thiếu dữ liệu tham khảo. Ngoài ra, việc xác định chính xác chức năng gene vận chuyển đường và biểu hiện gene vận chuyển đường ở Ceratopteris đòi hỏi các phương pháp phức tạp và tốn kém. Nghiên cứu này nhằm giải quyết những thách thức này bằng cách sử dụng các công cụ tin sinh học và phương pháp nghiên cứu gene vận chuyển đường hiện đại.

2.1. Khó Khăn Trong Việc Phân Tích Trình Tự Gene Vận Chuyển Đường

Phân tích trình tự gene vận chuyển đường yêu cầu kỹ năng tin sinh học cao và khả năng làm việc với dữ liệu lớn. Việc xác định vị trí chính xác của các exon và intron trong cấu trúc gene vận chuyển đường có thể gặp khó khăn do sự phức tạp của bộ gene Ceratopteris richardii. Bên cạnh đó, cần phải có các thuật toán phức tạp để phân tích sự tương đồng giữa các gene vận chuyển đường khác nhau.

2.2. Vấn Đề Về Xác Định Chức Năng Gene Vận Chuyển Đường

Chức năng của gene vận chuyển đường có thể thay đổi tùy thuộc vào giai đoạn phát triển và điều kiện môi trường. Việc xác định chính xác vai trò của từng gene vận chuyển đường đòi hỏi các thí nghiệm sinh học phân tử phức tạp, bao gồm cả đột biến gene vận chuyển đường và phân tích biểu hiện gene. Sự phức tạp này đòi hỏi sự kết hợp giữa các phương pháp tin sinh học và thực nghiệm.

2.3. Hạn Chế Về Nguồn Lực và Chi Phí Nghiên Cứu

Nghiên cứu sinh học phân tử cây Ceratopteris đòi hỏi đầu tư lớn về trang thiết bị, hóa chất và nhân lực. Các phương pháp phân tích gene, protein và biểu hiện gene vận chuyển đường ở Ceratopteris thường tốn kém và mất nhiều thời gian. Hơn nữa, việc duy trì và nhân giống Ceratopteris richardii trong điều kiện thí nghiệm cũng đòi hỏi kỹ thuật và kinh nghiệm nhất định.

III. Phương Pháp Xác Định Phân Tích Gene SWEET 58

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tin sinh học để xác định và phân tích gene vận chuyển đường SWEET ở Ceratopteris richardii. Dữ liệu trình tự gene từ các cơ sở dữ liệu công cộng được sử dụng để tìm kiếm các gene tương đồng với họ SWEET. Các công cụ như BLAST được sử dụng để xác định các vùng bảo tồn và đặc trưng của protein vận chuyển đường. Phân tích trình tự gene vận chuyển đường được thực hiện để xác định cấu trúc gene vận chuyển đường và dự đoán chức năng gene vận chuyển đường.

3.1. Sử Dụng Công Cụ Tin Sinh Học BLAST Để Tìm Kiếm Gene SWEET

Công cụ BLAST (Basic Local Alignment Search Tool) được sử dụng để tìm kiếm trình tự gene vận chuyển đường trong bộ gene Ceratopteris richardii. BLAST cho phép so sánh trình tự nucleotide hoặc protein với các trình tự đã biết trong cơ sở dữ liệu, giúp xác định các gene có độ tương đồng cao.

3.2. Phân Tích Cấu Trúc Gene Và Dự Đoán Chức Năng Protein SWEET

Sau khi xác định được các gene SWEET, cấu trúc gene (vị trí exon/intron) được phân tích bằng các công cụ chuyên dụng. Đồng thời, các vùng bảo tồn và motif chức năng trong protein SWEET được xác định để dự đoán chức năng của chúng. Phân tích trật tự gene vận chuyển đường rất quan trọng để xác định vai trò tiềm năng của các protein SWEET trong quá trình vận chuyển đường ở cây.

3.3. Xây Dựng Cây Phân Loại và Dự Đoán Vị Trí Cư Trú Nội Bào

Cây phân loại phát sinh chủng loài được xây dựng để hiểu rõ hơn về mối quan hệ tiến hóa giữa các protein SWEET ở Ceratopteris richardii và các loài khác. Ngoài ra, các công cụ dự đoán trực tuyến được sử dụng để dự đoán vị trí cư trú nội bào của protein SWEET (ví dụ: màng tế bào, lục lạp, ty thể). Việc này rất quan trọng trong việc hiểu hơn về cơ chế vận chuyển đường ở cây.

IV. Kết Quả Xác Định Phân Bố Gene Vận Chuyển 56

Nghiên cứu đã xác định được 20 gene vận chuyển đường SWEET trong bộ gene của Ceratopteris richardii. Các gene này phân bố rải rác trên các nhiễm sắc thể khác nhau, cho thấy sự đa dạng và phức tạp của hệ thống vận chuyển đường trong loài dương xỉ này. Phân tích cấu trúc gene vận chuyển đường cho thấy sự hiện diện của nhiều exon và intron, tương tự như ở các loài cây khác. Các kết quả này cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về điều hòa gene vận chuyển đường và chức năng gene vận chuyển đường.

4.1. Vị Trí Phân Bố Của Gene SWEET Trên Nhiễm Sắc Thể

Phân tích vị trí phân bố của gene vận chuyển đường trên nhiễm sắc thể cung cấp thông tin về sự tổ chức và tiến hóa của bộ gene. Kết quả cho thấy các gene SWEET được phân bố rải rác trên nhiều nhiễm sắc thể, có thể liên quan đến quá trình nhân đôi gene và tái tổ hợp.

4.2. Cấu Trúc Gene SWEET So Sánh Với Các Loài Thực Vật Khác

Phân tích cấu trúc gene, bao gồm số lượng và vị trí exon/intron, giúp so sánh sự tương đồng và khác biệt giữa các gene SWEET ở Ceratopteris richardii và các loài thực vật khác. Kết quả cho thấy cấu trúc gene SWEET ở Ceratopteris richardii có nhiều điểm tương đồng với các loài thực vật có mạch, cho thấy sự bảo tồn chức năng trong quá trình tiến hóa.

4.3. Đặc Điểm Về Kích Thước CDS và gDNA của Gene SWEET

Kết quả cho thấy kích thước CDS và gDNA của các gene CericSWEET đồng đều, hầu hết các gen đều có 6 exon, tương tự như các loài thực vật khác. Việc này giúp các nhà khoa học có thêm cơ sở dữ liệu để tiến hành các nghiên cứu sâu hơn về chức năng của các gene này.

V. Ứng Dụng Triển Vọng Nghiên Cứu Gene Vận Chuyển 59

Nghiên cứu về gene vận chuyển đường ở Ceratopteris richardii có nhiều ứng dụng tiềm năng. Hiểu rõ cơ chế vận chuyển đường có thể giúp tối ưu hóa sinh trưởng và phát triển của cây, đặc biệt trong điều kiện stress. Ngoài ra, nghiên cứu sinh học phân tử Ceratopteris có thể cung cấp thông tin quan trọng cho các nỗ lực cải thiện khả năng chống chịu của cây trồng nói chung. Ứng dụng nghiên cứu gene vận chuyển đường có thể góp phần vào xanh hóa khuôn viên công sở và bảo vệ môi trường.

5.1. Tối Ưu Hóa Sinh Trưởng Cây Ceratopteris Richardii Trong Điều Kiện Stress

Hiểu rõ cách thức gene vận chuyển đường phản ứng với stress (ví dụ: hạn hán, mặn) có thể giúp phát triển các chiến lược để cải thiện khả năng chống chịu của Ceratopteris richardii. Việc này có thể bao gồm việc chọn lọc các giống cây có khả năng điều chỉnh biểu hiện gene vận chuyển đường để thích ứng với điều kiện bất lợi.

5.2. Cải Thiện Khả Năng Chống Chịu Của Cây Trồng Thông Qua Gene SWEET

Thông tin thu được từ nghiên cứu gene vận chuyển đường ở Ceratopteris richardii có thể được áp dụng để cải thiện khả năng chống chịu của các loại cây trồng khác. Việc chuyển gene SWEET từ Ceratopteris richardii vào các loại cây trồng có thể giúp tăng cường khả năng chịu hạn hoặc mặn.

5.3. Đóng Góp Vào Xanh Hóa Khuôn Viên Công Sở và Bảo Vệ Môi Trường

Việc sử dụng Ceratopteris richardii để xanh hóa khuôn viên công sở có thể mang lại nhiều lợi ích cho môi trường và sức khỏe con người. Cây có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm và cải thiện chất lượng không khí. Nghiên cứu về gene vận chuyển đường có thể giúp tối ưu hóa khả năng này, biến Ceratopteris richardii trở thành một công cụ hiệu quả để bảo vệ môi trường.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Gene Vận Chuyển Tương Lai 59

Nghiên cứu này đã cung cấp những thông tin quan trọng về gene vận chuyển đường SWEET ở Ceratopteris richardii. Các kết quả này là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về chức năng gene vận chuyển đường, điều hòa gene vận chuyển đường và vai trò của chúng trong phát triển cây Ceratopteris. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc xác định các yếu tố môi trường và gene vận chuyển đường tương tác với nhau, cũng như phát triển các ứng dụng thực tiễn của gene vận chuyển đường trong nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

6.1. Xác Định Vai Trò Cụ Thể Của Từng Gene SWEET Trong Cây

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc xác định vai trò cụ thể của từng gene SWEET trong các quá trình sinh học khác nhau của cây Ceratopteris richardii. Điều này có thể được thực hiện thông qua các thí nghiệm chuyển gene, đột biến gene và phân tích biểu hiện gene.

6.2. Nghiên Cứu Tương Tác Giữa Môi Trường Và Gene Vận Chuyển Đường

Nghiên cứu sâu hơn về sự tương tác giữa môi trường và gene vận chuyển đường sẽ cung cấp thông tin quan trọng về khả năng thích ứng của Ceratopteris richardii với các điều kiện khác nhau. Điều này có thể bao gồm việc phân tích biểu hiện gene vận chuyển đường trong điều kiện stress và xác định các yếu tố điều hòa gene liên quan.

6.3. Phát Triển Ứng Dụng Thực Tiễn Gene Vận Chuyển Trong Nông Nghiệp

Nghiên cứu về gene vận chuyển đường ở Ceratopteris richardii có thể mở ra các cơ hội để phát triển các ứng dụng thực tiễn trong nông nghiệp. Việc chuyển gene SWEET từ Ceratopteris richardii vào các loại cây trồng có thể giúp tăng cường khả năng chống chịu stress và cải thiện năng suất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trước áp lực của biến đổi khí hậu toàn cầu và hiện tượng đảo nhiệt đô thị, việc phát triển hệ thống cây xanh nội thất và cây cảnh công trình tại các khu vực đô thị đang được xem là một giải pháp sinh thái quan trọng nhằm giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, thanh lọc không khí và cải thiện môi trường làm việc tại các công sở. Trong số các loài thực vật được sử dụng, Ceratopteris richardii – một loài dương xỉ thuộc họ Pteridaceae – được đánh giá cao nhờ khả năng tích tụ, hấp thụ và khử độc đối với nhiều loại chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong môi trường, đồng thời sở hữu giá trị cảnh quan thích hợp với không gian văn phòng. Về mặt sinh học phân tử, C. richardii là loài thực vật có mạch mô hình điển hình với bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội $2n = 78$ ($n = 39$), vòng đời ngắn (khoảng 120 ngày) và hệ gen đã được giải mã hoàn chỉnh.

Trong quá trình sinh trưởng và chống chịu bất lợi môi trường của thực vật, các phân tử đường monosaccharide và disaccharide (đặc biệt là sucrose) đóng vai trò sống còn trong việc cung cấp năng lượng, cấu trúc thành tế bào và truyền tín hiệu sinh lý. Việc phân phối các phân tử đường này từ tế bào nguồn đến các mô tích lũy đòi hỏi sự tham gia của họ protein vận chuyển đường chuyên biệt mang tên SWEET (Sugars Will Eventually be Exported Transporters), đặc trưng bởi miền bảo thủ PF03083. Mặc dù họ gen SWEET đã được phân tích trên nhiều cây trồng nông nghiệp (lúa gạo, ngô, đậu tương, sắn, cà chua, cải dầu), các dẫn liệu về nhóm gen này trên nhóm thực vật cảnh quan công trình nội thất như C. richardii vẫn chưa được công bố. Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Nghiên cứu đặc điểm và biểu hiện của nhóm gene mã hóa protein vận chuyển đường ở cây Ceratopteris richardii hướng đến xanh hóa khuôn viên công sở" được thực hiện nhằm lấp đầy khoảng trống dữ liệu này.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là cung cấp các dẫn liệu khoa học hệ thống về họ gen mã hóa protein vận chuyển đường SWEET ở cây C. richardii thông qua các công cụ tin sinh học dữ liệu lớn, làm cơ sở định hướng các biện pháp chăm sóc và đánh giá khả năng thích ứng của cây trồng trong khuôn viên công sở. Đề tài tập trung giải quyết 3 nội dung nghiên cứu cụ thể:

1. Xác định và phân tích vị trí phân bố của nhóm gen mã hóa protein SWEET trên hệ gen cây C. richardii.
2. Phân tích cấu trúc gen và phân nhóm theo chức năng của các protein vận chuyển đường SWEET ở cây C. richardii.
3. Dự đoán vị trí cư trú nội bào và tính toán các chỉ số lý hóa cơ bản của nhóm protein SWEET ở cây C. richardii.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Họ gen và protein SWEET ở loài dương xỉ Ceratopteris richardii.
• Phạm vi dữ liệu: Toàn bộ dữ liệu hệ gen (genomic DNA), trình tự vùng mã hóa (CDS) và hệ protein (proteome) của C. richardii được trích xuất từ cơ sở dữ liệu hệ gen thực vật Phytozome v2.
• Thời gian thực hiện: Từ tháng 01/2022 đến tháng 06/2022.
• Địa điểm thực hiện: Phòng thí nghiệm Bộ môn Sinh học phân tử, Khoa Công nghệ Sinh học – Học viện Nông nghiệp Việt Nam và Khoa Công nghệ Nông nghiệp – Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

Họ protein SWEET (thuộc họ siêu gia đình MtN3/saliva) là nhóm protein vận chuyển xuyên màng chịu trách nhiệm trung chuyển đường qua màng sinh chất hoặc màng nội bào mà không phụ thuộc vào gradient pH hay năng lượng ATP trực tiếp. Cấu trúc không gian điển hình của một protein SWEET chức năng gồm 7 vòng xoắn xuyên màng (transmembrane alpha-helices - TM), được tổ chức thành 2 cụm lặp lại của 3 vòng xoắn TM ngăn cách nhau bởi 1 vòng xoắn TM liên kết trung gian. Miền bảo thủ đại diện cho họ protein này trên cơ sở dữ liệu Pfam là PF03083. Sucrose sau khi được tổng hợp từ các mô quang hợp tại lá sẽ được protein SWEET đưa vào mạch rây (phloem) để vận chuyển đến các cơ quan đích, đồng thời tham gia vào các cơ chế phản ứng trước các điều kiện stress phi sinh học như hạn hán, thẩm thấu hay kim loại nặng.

Nguồn dữ liệu và công cụ nghiên cứu

Toàn bộ dữ liệu hệ gen, bộ phiên mã và hệ protein của cây C. richardii được khai thác từ cơ sở dữ liệu Phytozome (phiên bản Ceratopteris richardii v2) dựa trên công bố của Marchant và cộng sự. Các công cụ tính toán và thuật toán chuyên dụng bao gồm:

• Xác định và chú giải họ gen: Tìm kiếm tương đồng chuỗi bằng công cụ BlastP đối với miền bảo thủ PF03083 trên hệ protein của C. richardii tại Phytozome, áp dụng ngưỡng lọc giá trị kỳ vọng sai số ($E\text{-value} \le 1\times 10^{-10}$). Các thông tin chú giải (mã phiên mã, mã locus, mã GenID, ProteinID) được đối chiếu và kiểm chứng trên hệ thống cơ sở dữ liệu của Trung tâm Thông tin Công nghệ sinh học Quốc gia Hoa Kỳ (NCBI).
• Phân tích cấu trúc phân tử gen: Sử dụng phần mềm BioEdit để xác định chiều dài nucleotide, trọng lượng phân tử sợi đơn và hàm lượng GC (%) của trình tự vùng mã hóa (CDS) và DNA hệ gen (gDNA). Cấu trúc vị trí sắp xếp các đoạn exon và intron được mô hình hóa thông qua máy chủ trực tuyến Gene Structure Display Server (GSDS 2.0).
• Tính toán tính chất lý hóa và phân bố tế bào: Truy vấn trình tự amino acid trên công cụ ExPASy ProtParam để xác định chiều dài chuỗi polypeptide ($L$), trọng lượng phân tử protein ($mW$), điểm đẳng điện lý thuyết ($pI$), chỉ số bất ổn định ($II$), chỉ số béo ($AI$) và độ ưa nước trung bình ($GRAVY$). Vị trí phân bố nội bào được dự đoán qua máy chủ YLoc sử dụng mô hình độ phân giải cao YLoc-HighRes cho phân hệ thực vật (plant model) với các chỉ số đánh giá về xác suất (%) và độ tin cậy (%).
• Xây dựng cây phát sinh loài: Trình tự protein được căn chỉnh đa chuỗi bằng thuật toán ClustalW với các tham số chuẩn hóa (hình phạt mở khoảng trống = 10, mở rộng khoảng trống = 0,1 đối với cặp đôi; 10 và 0,2 đối với đa chuỗi; ma trận Gonnet). Quan hệ tiến hóa được thiết lập bằng phần mềm MEGA dựa trên thuật toán Neighbor-Joining (NJ) với phép thử lặp lại Bootstrap 1.000 bản sao.

Nội dung chính theo từng chương

Phần II: Tổng quan tài liệu

Chương này cung cấp hệ thống cơ sở lý luận về loài cây Ceratopteris richardii, cơ chế vận chuyển đường sucrose và lịch sử nghiên cứu họ gen SWEET:

• Đặc điểm thực vật học và sinh thái học của C. richardii: Loài dương xỉ thủy sinh hoặc bán thủy sinh thuộc chi Ceratopteris, họ Pteridaceae. Vòng đời ngắn khoảng 120 ngày, trải qua sự luân phiên thế hệ rõ rệt giữa thể giao tử đơn bội ($n$) và thể bào tử lưỡng bội ($2n$). Quá trình phát triển của thể bào tử chia thành 6 giai đoạn rõ rệt: từ giai đoạn hợp tử ban đầu (S0), hình thành lá đơn non (S2), lá bắt đầu chia thùy hình lông chim (S3), lá dạng hai lá kim (S4), chuyển đổi lá dạng ba lá kim (S5) đến giai đoạn sinh sản tạo túi bào tử ở mặt dưới của lá (S6). Về mặt ứng dụng, loài này có sinh khối phát triển nhanh, khả năng khử độc môi trường nước và khí, đồng thời thích ứng tốt khi trồng làm cảnh nội thất.
• Vai trò của sucrose và hệ thống protein SWEET: Sucrose ($C_{12}H_{22}O_{11}$) là dạng carbohydrate vận chuyển đường dài chính yếu trong phloem. Các gen SWEET tham gia xuất nhập sucrose qua màng tế bào nhu mô libe.
• Tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước: Tổng hợp các công bố về số lượng và cấu trúc họ gen SWEET trên thế giới: Arabidopsis thaliana (17 gen), lúa Oryza sativa (21 gen), cao lương Sorghum bicolor (23 gen), ngô Zea mays (29 gen), dưa chuột Cucumis sativus (17 gen), đậu tương Glycine max (52 gen), cải dầu Brassica napus (68 gen), lúa mì Triticum aestivum (59 - 108 gen), bông Gossypium spp. (22 - 60 gen). Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Chu Đức Hà, Cao Phi Bằng, Lê Thị Mận đã xác định quy mô họ gen SWEET ở cây sắn (28 gen), đậu gà (21 gen), ca cao (21 gen) và đu đủ (12 gen).

Phần III: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương này chi tiết hóa quy trình thực nghiệm tin sinh học theo các sơ đồ khối logic, bao gồm 4 khối phương pháp chính:

• Khai thác dữ liệu proteome và genome từ Phytozome v2 bằng thuật toán BlastP qua nhận diện miền bảo thủ PF03083, xuất dữ liệu dưới định dạng FASTA.
• Chú giải mã gen, mã định danh locus và protein qua giao diện BlastP của NCBI.
• Phân tích tương quan chiều dài, trọng lượng và cấu trúc exon/intron của CDS/gDNA bằng BioEdit và GSDS 2.0.
• Khai thác tính chất lý hóa qua ExPASy ProtParam, dự đoán định vị màng tế bào và bào quan bằng YLoc-HighRes, căn chỉnh chuỗi ClustalW và dựng cây phát sinh loài Neighbor-Joining trên phần mềm MEGA.

Phần IV: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương kết quả trình bày toàn bộ số liệu tính toán và phân tích chuyên sâu về họ gen SWEET ở C. richardii:

• Định danh và phân bố nhiễm sắc thể: Xác định được chính xác 20 thành viên thuộc họ gen SWEET ở C. richardii, được đặt tên quy chuẩn từ CericSWEET01 đến CericSWEET20. Nhóm gen này phân bố không đều trên 12 trong tổng số 39 nhiễm sắc thể của hệ gen; 27 nhiễm sắc thể còn lại không mang gen SWEET nào. Nhiễm sắc thể số 11 mang mật độ gen lớn nhất với 6 gen (CericSWEET07, 08, 09, 10, 11, 12), chiếm 30% tổng số thành viên. Tiếp theo là nhiễm sắc thể số 4 mang 3 gen (15%) và nhiễm sắc thể số 23 mang 2 gen (10%). Chín nhiễm sắc thể gồm 1, 2, 6, 13, 18, 24, 31, 32 và 37 mỗi nhiễm sắc thể chỉ chứa 1 gen duy nhất (tương ứng 5% mỗi NST).
• Đặc điểm cấu trúc vùng mã hóa và DNA hệ gen:
  • Kích thước vùng mã hóa CDS dao động từ 609 bp (CericSWEET11) đến 1.287 bp (CericSWEET02). Phần lớn các gen có kích thước CDS trên 700 bp (chỉ có 2 gen dưới 700 bp là CericSWEET11 với 609 bp và CericSWEET09 với 657 bp). Trọng lượng phân tử của CDS dao động từ 184,959 kDa (CericSWEET11) đến 390,514 kDa (CericSWEET02).
  • Chiều dài DNA hệ gen (gDNA) có sự phân hóa rất lớn, dao động từ 1.230 bp (CericSWEET11) đến 44.906 bp (CericSWEET09). Có 15 gen có kích thước gDNA vượt trên 2.300 bp. Ba gen có trọng lượng phân tử gDNA lớn nhất trên 7.000.000 kDa gồm CericSWEET09 (13.608.139 kDa), CericSWEET16 (10.255.411 kDa) và CericSWEET17 (7.097.880 kDa).
  • Về cấu trúc tổ chức gen, đa số các gen CericSWEET bảo tồn cấu trúc gồm 6 đoạn exon, tương đồng với các nghiên cứu trên thực vật bậc cao.
• Quan hệ phát sinh loài và phân nhóm chức năng: Cây phân loại Neighbor-Joining phân chia 20 protein CericSWEET thành 3 phân nhóm chức năng chính. Đáng chú ý, hai thành viên CericSWEET07 và CericSWEET12 được xếp chung phân nhánh chức năng tương đồng với các gen đáp ứng điều kiện khô hạn.
• Tính chất lý hóa và vị trí định vị nội bào:
  • Dự đoán YLoc cho thấy phần lớn các protein CericSWEET cư trú tại màng sinh chất (plasma membrane), phù hợp với chức năng vận chuyển đường giữa các khoang gian bào và hệ mạch rây.
  • Phân tích ProtParam chỉ ra hầu hết các protein CericSWEET có điểm đẳng điện $pI > 7$, thể hiện tính kiềm/base rõ rệt. Tất cả các protein CericSWEET đều có hệ số độ ưa nước trung bình (GRAVY) mang giá trị dương, chứng minh bản chất kỵ nước của các protein xuyên màng.

Kết quả và đóng góp

Dữ liệu định danh 20 thành viên họ gen CericSWEET

Khóa luận đã trích xuất và lập danh mục hoàn chỉnh 20 gen SWEET ở C. richardii kèm mã locus và mã định danh protein trên hệ thống cơ sở dữ liệu sinh học quốc tế:

STT	Tên gen	Mã định danh gen (GenID)	Mã định danh protein (ProteinID)	Vị trí nhiễm sắc thể (NST)
1	CericSWEET01	Ceric.01G117600	KAH7447702	NST 01
2	CericSWEET02	Ceric.02G033800	KAH7443425	NST 02
3	CericSWEET03	Ceric.04G043900	KAH7439069	NST 04
4	CericSWEET04	Ceric.04G091100	KAH7440096	NST 04
5	CericSWEET05	Ceric.04G045000	KAH7439095	NST 04
6	CericSWEET06	Ceric.06G033300	KAH7434756	NST 06
7	CericSWEET07	Ceric.11G041300	KAH7425137	NST 11
8	CericSWEET08	Ceric.11G057700	KAH7425498	NST 11
9	CericSWEET09	Ceric.11G057800	KAH7425499	NST 11
10	CericSWEET10	Ceric.11G057300	KAH7425494	NST 11
11	CericSWEET11	Ceric.11G057100	KAH7425492	NST 11
12	CericSWEET12	Ceric.11G041200	KAH7425136	NST 11
13	CericSWEET13	Ceric.13G035200	KAH7420992	NST 13
14	CericSWEET14	Ceric.18G081100	KAH7366493	NST 18
15	CericSWEET15	Ceric.23G039500	KAH7301734	NST 23
16	CericSWEET16	Ceric.23G037700	KAH7301674	NST 23
17	CericSWEET17	Ceric.24G040500	KAH7300002	NST 24
18	CericSWEET18	Ceric.31G056600	KAH7289084	NST 31
19	CericSWEET19	Ceric.32G024800	KAH7286841	NST 32
20	CericSWEET20	Ceric.37G021000	KAH7279467	NST 37

So sánh số lượng gen SWEET giữa C. richardii và các loài thực vật

Đối chiếu với các công bố khoa học được tổng hợp trong văn bản, quy mô họ gen SWEET không tỷ lệ thuận tuyến tính với độ lớn của kích thước hệ gen (genome size) hoặc số lượng nhiễm sắc thể:

Loài thực vật	Nhóm thực vật	Số lượng NST	Kích thước genome (Gb)	Số lượng gen SWEET	Nguồn trích dẫn trong văn bản
Ceratopteris richardii	Dương xỉ (Pteridophyta)	39	-	20	Khóa luận này
Oryza sativa (Lúa)	Một lá mầm	12	0,38	21 - 28	Du et al., 2022; Roy et al., 2022
Cicer arietinum (Đậu gà)	Hai lá mầm	8	0,52	21	Chu Đức Hà và ctv, 2019
Gossypium arboreum (Bông)	Hai lá mầm	13	1,78	22	Zhao Lanjie et al., 2018
Gossypium raimondii (Bông)	Hai lá mầm	13	0,76	31	Zhao Lanjie et al., 2018
Gossypium hirsutum (Bông)	Hai lá mầm	26	2,31	49 - 55	Zhao Lanjie et al., 2018
Glycine max (Đậu tương)	Hai lá mầm	20	0,99	52	Patil et al., 2015
Solanum lycopersicum (Cà chua)	Hai lá mầm	12	0,81	29	Arik Shammai et al., 2018
Triticum aestivum (Lúa mì)	Một lá mầm	21	14,45	59 - 108	Gautam et al., 2019
Cucumis sativus (Dưa chuột)	Hai lá mầm	7	-	17	Li et al., 2017
Manihot esculenta (Sắn)	Hai lá mầm	18	-	28	Chu Đức Hà và ctv, 2017, 2018
Carica papaya (Đu đủ)	Hai lá mầm	-	-	12	Lê Thị Mận và ctv, 2021

Đóng góp của đề tài

• Đóng góp khoa học: Đây là nghiên cứu đầu tiên định danh và lập bản đồ vị trí phân bố, đặc tính hóa sinh, cấu trúc phân tử và phân nhóm tiến hóa của toàn bộ 20 gen mã hóa protein vận chuyển đường SWEET ở loài dương xỉ mô hình Ceratopteris richardii. Kết quả cung cấp bằng chứng cho thấy cấu trúc 6 exon của họ gen SWEET đã được bảo tồn cao độ từ các loài thực vật có mạch không hạt cổ xưa (Pteridophyta) tới thực vật hạt kín có hoa.
• Đóng góp ứng dụng: Xác định được 2 gen ứng viên tiềm năng là CericSWEET07 và CericSWEET12 có quan hệ phát sinh loài gắn liền với chức năng đáp ứng khô hạn. Dữ liệu này mở ra định hướng cho các nghiên cứu biểu hiện nhằm tối ưu hóa chế độ tưới nước, nâng cao sức chống chịu của cây khi trồng trong điều kiện thiếu ẩm hoặc phòng điều hòa kín tại các công sở.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Toàn bộ kết quả của khóa luận đều dựa trên phân tích dữ liệu thứ cấp và mô phỏng trên các công cụ tin sinh học (in silico). Nghiên cứu chưa tiến hành các thí nghiệm sinh học phân tử thực nghiệm (wet-lab) như phân lập dòng gen, kiểm chứng mức độ phiên mã qua kỹ thuật phiên mã ngược - phản ứng chuỗi polymerase thời gian thực (RT-qPCR) hoặc đánh giá sinh hóa chức năng vận chuyển phân tử đường trên các hệ thống biểu hiện dị lập (ví dụ nấm men đột biến).
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Thiết kế mồi đặc hiệu và thực hiện phân tích biểu hiện của 20 gen CericSWEET (đặc biệt là CericSWEET07 và CericSWEET12) trên các mô cơ quan khác nhau (lá dinh dưỡng, lá sinh sản mang túi bào tử, rễ) của cây C. richardii sinh trưởng trong điều kiện thực tế.
  • Khảo sát sự thay đổi mức độ biểu hiện gen dưới tác động của các điều kiện stress vi khí hậu công sở (thiếu sáng, khô hạn nhân tạo, nhiệt độ máy điều hòa).
  • Đánh giá tương quan giữa hiệu suất vận chuyển đường của các protein SWEET với tốc độ sinh trưởng và năng lực xử lý các hợp chất ô nhiễm không khí trong nhà.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu hữu ích cho:

• Sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ Sinh học, Sinh học Phân tử, Tin sinh học và Nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo quy trình phân tích tin sinh học hoàn chỉnh để khai thác và chú giải một họ gen mới trên hệ gen thực vật (từ nhận diện miền bảo thủ BlastP, xử lý dữ liệu FASTA, phân tích BioEdit, GSDS 2.0, ExPASy đến cây phát sinh loài MEGA).
• Các nhóm nghiên cứu về sinh học tiến hóa và sinh lý thực vật: Kế thừa bộ dữ liệu 20 gen CericSWEET phục vụ các so sánh phả hệ giữa thực vật có mạch bậc thấp (dương xỉ) và thực vật bậc cao (cây một lá mầm, hai lá mầm).
• Kỹ sư cảnh quan và nhà quản lý môi trường đô thị: Cung cấp cơ sở lý luận sinh học phân tử về sức sống, khả năng thích ứng và tiềm năng ứng dụng của cây dương xỉ C. richardii trong các chương trình xanh hóa văn phòng và tòa nhà công sở.

Câu hỏi thường gặp

1. Dựa trên cơ sở nào để nhóm gen vận chuyển đường ở C. richardii được đặt tên từ CericSWEET01 đến CericSWEET20?

Các thành viên được đặt tên theo quy ước quốc tế về phân loại gen thực vật: tiền tố ‘Ceric’ viết tắt từ tên khoa học của loài Ceratopteris richardii, thành tố ‘SWEET’ đại diện cho họ protein vận chuyển đường sucrose, và số thứ tự hai chữ số (từ 01 đến 20) được đánh số tăng dần tương ứng theo vị trí xuất hiện thực tế của các gen dọc theo các nhiễm sắc thể từ NST số 1 đến NST số 37.

2. Sự phân bố của 20 gen CericSWEET trên bộ nhiễm sắc thể của C. richardii có đồng đều không?

Sự phân bố hoàn toàn không đồng đều. Trong tổng số 39 nhiễm sắc thể ($n = 39$), 20 gen CericSWEET chỉ phân bố trên 12 nhiễm sắc thể, trong khi 27 nhiễm sắc thể còn lại không chứa gen SWEET nào. Nhiễm sắc thể số 11 mang mật độ gen cao nhất với 6 gen (CericSWEET07 đến CericSWEET12, chiếm 30%), tiếp theo là NST số 4 với 3 gen (15%), NST số 23 với 2 gen (10%), và 9 nhiễm sắc thể khác mỗi nơi chỉ chứa đúng 1 gen (5% mỗi NST).

3. Cấu trúc intron/exon của các gen CericSWEET có điểm gì đáng chú ý?

Hầu hết các gen thuộc họ CericSWEET đều sở hữu cấu trúc gồm 6 đoạn exon (phân tách bởi 5 đoạn intron). Kích thước vùng mã hóa CDS khá đồng đều, dao động phổ biến trên 700 bp (từ 609 bp ở CericSWEET11 đến 1.287 bp ở CericSWEET02). Ngược lại, kích thước DNA hệ gen (gDNA) có sự biến thiên rất lớn từ 1.230 bp đến 44.906 bp (CericSWEET09), nguyên nhân do độ dài các vùng intron không mã hóa giữa các gen có sự chênh lệch đáng kể.

4. Thành viên nào trong họ CericSWEET được dự đoán có khả năng chống chịu điều kiện khô hạn?

Dựa trên phân tích cây phát sinh loài Neighbor-Joining so sánh với các protein SWEET đã biết rõ chức năng ở cây đậu gà (Cicer arietinum), hai thành viên CericSWEET07 và CericSWEET12 (cùng nằm trên nhiễm sắc thể số 11) được phân cụm vào nhánh chức năng đặc hiệu và được dự đoán có vai trò phản ứng, chống chịu trước điều kiện stress hạn.

5. Đặc tính hóa sinh và vị trí cư trú nội bào dự đoán của protein CericSWEET là gì?

Về vị trí nội bào, phần mềm YLoc-HighRes dự đoán hầu hết các protein CericSWEET cư trú tại màng sinh chất (plasma membrane). Về tính chất hóa sinh, phần lớn protein CericSWEET có điểm đẳng điện lý thuyết $pI > 7$, thể hiện tính chất kiềm (base). Toàn bộ 20 protein CericSWEET đều có chỉ số GRAVY dương, phản ánh đặc tính kỵ nước mạnh mẽ của các protein xuyên màng.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thị Yến Linh đã xác định và chú giải thành công 20 gen mã hóa protein vận chuyển đường SWEET ở loài dương xỉ cảnh quan Ceratopteris richardii bằng tiếp cận tin sinh học hệ gen. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ đặc tính cấu trúc bảo tồn 6 exon, vị trí phân bố tập trung cao trên nhiễm sắc thể số 11, bản chất hóa sinh kỵ nước cư trú màng sinh chất và phân hóa thành 3 phân nhóm chức năng tiến hóa. Những phát hiện này không chỉ cung cấp bộ dữ liệu nền tảng về sinh học phân tử cho loài thực vật mô hình C. richardii, mà còn tạo cơ sở lý thuyết định hướng việc tuyển chọn và chăm sóc cây cảnh chịu hạn phục vụ mục tiêu xanh hóa khuôn viên công sở đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC ------ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VÀ BIỂU HIỆN CỦA NHÓM GENE MÃ HÓA PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG Ở CÂY CERATOPTERIS RICHARDII HƯỚNG ĐẾN XANH HÓA KHUÔN VIÊN CÔNG SỞ HÀ NỘI - 2022 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC ------ KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM VÀ BIỂU HIỆN CỦA NHÓM GENE MÃ HÓA PROTEIN VẬN CHUYỂN ĐƯỜNG Ở CÂY CERATOPTERIS RICHARDII HƯỚNG ĐẾN XANH HÓA KHUÔN VIÊN CÔNG SỞ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thị Yến Linh Lớp: K63CNSHA Ngành: Công nghệ sinh học MSV: 637039 Giảng viên hướng dẫn: TS. Chu Đức Hà ThS. Trịnh Thị Thu Thuỷ HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đã trực tiếp thực hiện các nghiên cứu trong khóa luận này. Mọi kết quả thu được nguyên bản, không chỉnh sửa hoặc sao chép từ các nghiên cứu khác.

Các số liệu, kết quả của khóa luận này chưa từng được công bố. Em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan trên! Hà Nội, ngày. năm 2022 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Yến Linh i LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp em luôn nhận được sự quan tâm, hướng dẫn giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo trong khoa Công Nghệ Sinh Học cùng với sự động viên giúp đỡ của bạn bè. Nhân dịp này em xin bày tỏ lòng biết ơn vô cùng sâu sắc tới Cô ThS.

Trịnh Thị Thu Thuỷ - Bộ môn SHPT & CNSH ứng dụng - Khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam và Thầy TS. Chu Đức Hà - Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ em trong thời gian thực hiện khóa luận này. Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu, nhiệt tình của tập thể cán bộ thuộc Khoa Công nghệ Nông nghiệp, Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, là nơi em đã tiến hành khóa luận tốt nghiệp của mình. Cuối cùng, em xin cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô trong Khoa Công nghệ sinh học - Học viện Nông Nghiệp Việt Nam.

Em xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày. năm 2022 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thị Yến Linh ii MỤC LỤC Lời cam đoan. ii Mục lục. iii Danh mục viết tắt.

v Danh mục bảng. vi Danh mục hình ảnh. Lý do chọn đề tài. Mục đích của đề tài.

Nội dung nghiên cứu của đề tài. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học. Ý nghĩa thực tiễn.

TỔNG QUAN TÀI LIỆU. Giới thiệu chung về cây C. Hệ thống phân loại cây C. Nguồn gốc, xuất xứ cây C.

Đặc điểm hình thái của cây C. Vai trò của cây C. Vai trò của sucrose và quá trình vận chuyển sucrose ở thực vật. Sucrose và vai trò sucrose ở thực vật.

Quá trình vận chuyển sucrose ở thực vật. Tổng quan về SWEET. Lịch sử nghiên cứu về họ protein vận chuyển sucrose ở thực vật. Tình hình nghiên cứu trên thế giới.

Tình hình nghiên cứu trong nước. 20 iii PHẦN III. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Thời gian và địa điểm nghiên cứu.

Dữ liệu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp xác định và chú giải họ gen mã hóa protein vận chuyển SWEET ở cây C. Phương pháp phân tích cấu trúc gen của protein vận chuyển đường sucrose ở cây C.

Phương pháp phân tích đặc tính và dự đoán cư trú nội bào của protein vận chuyển SWEET ở cây C. Xây dựng sơ đồ hình cây của nhóm protein SWEET ở cây C. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. Kết quả xác định và phân tích vị trí phân bố của nhóm gen mã hóa protein SWEET ở cây C.

Kết quả phân tích cấu trúc và phân nhóm theo chức năng của protein SWEET ở cây C. Kết quả phân tích cấu trúc họ gen mã hóa protein SWEET ở cây C. Kết quả xây dựng cây phân loại của họ protein CericSWEET. Dự đoán vị trí cư trú nội bào và tính toán tính chất lý hóa của protein vận SWEET ở cây C.

Kết quả dự đoán vị trí cư trú nội bào của SWEET. Kết quả tính toán tính chất lý hóa của SWEET. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .56 DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

58 iv DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết STT Giải thích Tiếng Anh Giải thích Tiếng Việt tắt Basic local alignment 1 BLAST Công cụ tìm kiếm trình tự cơ bản search tool 2 BlastP Protein-protein BLAST 3 CDS Coding DNA Sequence Trình tự mã hóa ADN 4 gDNA Genomic DNA DNA hệ gene Grand average of 5 GRAVY Độ ưa nước trung bình hydropathicity Gene Structure Display Công cụ mô hình hóa cấu trúc gen 6 GSDS Server (Trật tự exon/intron) 7 II Instability index Độ bất ổn định 8 kDa Kilodalton Đơn vị trọng lượng phân tử 9 mW Molecular weight Trọng lượng phân tử 10 L Length Chiều dài (aa) Molecular Evolutionary Phân tích di truyền tiến hóa phân 11 MEGA Genetics Analysis tử National Center for Trung tâm công nghệ sinh học 12 NCBI Biotechnology Infomation quốc gia 13 NJ Neighbor-Joining 14 NST Chromosome Nhiễm sắc thể 15 pI Theoretical pI Điểm đẳng điện 16 RNA Ribonucleic acid Axit ribonucleic Sugars will eventually be 17 SWEET Chất vận chuyển đường sau cùng exported transporter 18 CRE cis- regulatory element yếu tố điều hòa cis- v DANH MỤC BẢNG Bảng 3. Những tham số ClustalW. Những phân tích ưu tiên. Thông tin của họ gen SWEET ở cây C.

Tóm tắt họ gen SWEET ở một số loài thực vật. Hàm lượng GC (%) CDS, gDNA của họ gen SWEET ở C. Phân tích vị trí cư trú nội bào của nhóm SWEET ở cây C. Đặc tính cơ bản của CericSWEET ở cây C.

50 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. Hình ảnh cây Ceratopteris richadii. Vòng đời của C. Hình ảnh hình thái lá của C.

richardii (Hasebe et al. Hình ảnh các giai đoạn di truyền của Ceratopteris richardi. Hình ảnh sự phát triển dị nguyên của lá ở Ceratopteris richardii. Sơ đồ tình hình nghiên cứu họ gen SWEET các năm gần đây.

Phương pháp xác định họ gen mã hóa protein SWEET. Phương pháp chú giải gen mã hóa protein SWEET. Phương pháp xác định đặc điểm cấu trúc của gen mã hóa protein SWEET. Phương pháp sắp xếp các đoạn exon/ intron của họ gen SWEET.

Phương pháp phân tích đặc tính hóa sinh của gen mã hóa protein SWEET. Phương pháp dự đoán vị trí phân bố nội bào của gen SWEET ở cây C. Vị trí phân bố NST của họ gen SWEET trên cây C. Biểu đồ kích thước và trọng lượng phân tử CDS của họ gen SWEET ở C.

Biểu đồ kích thước và trọng lượng gDNA của họ gen SWEET ở C. Cấu trúc của họ gen CericSWEET ở cây C. Cấu trúc gen của nhóm SWEET ở cây C. Phân nhóm theo chức năng của nhóm protein SWEET ở cây Ceratopteris richardii với các protein SWEET đã biết chức năng ở cây Cicer arietinum.

Biểu đồ kích thước và trọng lượng phân tử của họ gen SWEET ở cây C. Biểu đồ điểm đẳng điện của họ gen SWEET ở cây C. Biểu đồ độ bất ổn định và chỉ số béo của họ gen SWEET ở cây C. Biểu đồ độ ưa nước trung bình của họ gen SWEET ở cây C.

55 viii TÓM TẮT Nhóm protein chức năng, cụ thể hơn là protein vận chuyển sucrose (SWEET) đóng vai trò quan trọng trong một loạt quá trình sinh học ở thực vật như sinh trưởng, phát triển và đáp ứng các điều kiện bất lợi của ngoại cảnh. Trong nghiên cứu này, tổng số 20 thành viên SWEET trong cây Ceratopteris richardii đã được xác định, các gen này phân bố rải rác trên các NST của hệ gen C. Phân tích cấu trúc gen cho thấy kích thước CDS và gDNA của các gen CericSWEET đồng đều, hầu hết các gen đều có 6 exon, tương tự như các loài thực vật khác. Dựa vào sơ đồ hình cây Neighbor- joining, nhóm CericSWEET chia làm 3 phân nhóm.

Trong đó, hai gen CericSWEET07 và 12 được dự đoán có thể có chức năng đáp ứng với điều kiện hạn. Phân tích vị trí cư trú nội bào cho thấy các protein CericSWEET cư trú hầu hệt tại màng plasma. Tiếp theo, nhóm CericSWEET có tính chất lý hóa đa dạng, giá trị điểm đẳng điện cho thấy hầu hết CericSWEET có tính base, tất cả các protein SWEET ở C. richardii có tính kỵ nước.

Tóm lại, kết quả nghiên của nghiên này đã cung cấp những dẫn liệu quan trọng về nhóm CericSWEET ở C. Lý do chọn đề tài Phát triển cây công trình và cây cảnh trong nhà tại các khu vực đô thị được xem là một trong những giải pháp xanh hóa và bảo vệ môi trường trước tác động của tình trạng biến đổi khí hậu và sự nóng lên toàn cầu (Aram et al. Trong đó, các loài cây cảnh đặt trong nhà được chứng minh là có tác dụng giảm hiệu ứng nhà kính, đồng thời hỗ trợ làm sạch và tăng chất lượng không khí, góp phần xanh hóa khuôn viên (Aram et al. Trong số các loại cây cảnh trong nhà hiện nay, Ceratopteris richardii, một loài dương xỉ trong họ Pteridaceae, được đánh giá là một trong những cây xử lý môi trường có thể giải quyết các vấn đề liên quan đến cải thiện không khí trong nhà.

richardii cũng được báo cáo là loài thực vật có mạch mô hình điển hình cho nghiên cứu sự biến đổi của thành tế bào (Leroux et al., 2013), với thông tin di truyền mới được giải mã hoàn chỉnh gần đây (Marchant et al. Chính vì vậy, tìm hiểu về sinh trưởng và phát triển của cây C. richardii đang thu hút được sự quan tâm. Ngoài ra, trong quá trình sinh trưởng và phát triển ở thực vật, rất nhiều nhóm protein điều hòa (như nhân tố phiên mã) và protein chức năng (như enzyme hoặc protein vận chuyển) tham gia.

Trong đó, nhóm protein vận chuyển đường sucrose, ‘Sugars Will Eventually be Exported Transporters’ (được đặt tên là SWEET) có chức năng dịch chuyển các phân tử đường monosaccharide và disaccharide tại các cơ quan/bộ phận, từ đó kiểm soát vô số quá trình sinh học diễn ra trong cây trồng (Ji et al. Nhóm protein SWEET ở thực vật, được đặc trưng bởi vùng bảo thủ PF03083. Đến nay, các nghiên cứu về họ SWEET luôn được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm. Cụ thể, họ SWEET đã được tìm hiểu trên một số đối tượng cây trồng quan trọng, như lúa gạo (Oryza sativa) (Du et al., 2022; Roy et al., 1 2022), cam ngọt (Citrus sinensis) (Yao et al., 2021), nho (Vitis vinifera) (Chong et al., 2014), cà chua (Solanum lycopersicum) (Chardon et al., 2013; Shammai et al.