Đặt vấn đề Đáp ứng đa yếu tố ngoại cảnh bất thuận (bao gồm các bất lợi phi sinh học và bất lợi sinh học) là một trong những mục tiêu của các nhà chọn tạo giống hiện nay. Theo Chandran đã ghi nhận năm 2015, phản ứng của cây trồng khi chịu tác động của yếu tố bất lợi thông qua cơ chế tích lũy đường sucrose tại vị trí tổn thương. Quá trình vận chuyển đường sucrose diễn ra trong thực vật đến nay đã được biết đến với vai trò của nhóm protein SWEET (Sugar Will Eventually be Exported Transporter) (Chen, 2014). Vì vậy, nghiên cứu về nhóm protein SWEET có thể cung cấp những cơ sở khoa học quan trọng phục vụ cho công tác chọn tạo giống cây trồng chống chịu đa yếu tố bất lợi.
Đến nay, các nghiên cứu về họ protein SWEET luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học. Cụ thể, họ SWEET đã được tìm hiểu trên một số đối tượng cây trồng quan trọng, như lúa gạo (Oryza sativa) (Yuan and Wang, 2013), đậu tương (Glycine max) (Patil et al., 2015), sắn (Manihot esculenta) (Chu Đức Hà và cs., 2018a), đậu gà (Cicer arietinum) (Chu Đức Hà và cs., 2018b), lúa mỳ (Triticum aestivum) (Gautam et al., 2019), cải dầu (Brassica napus) (Jian et al., 2016), chuối (Musa acuminata) (Miao et al., 2017), Medicago truncatula (Hu et al., 2019), vải (Litchi Chinensis) (Xie el at., 2019), thực vật kí sinh vùng rễ (Orobanchaceae) (Misra et al., 2019), óc chó (Juglans regia) (Jiang et al., 2020) và ca cao (Theobroma cacao) (Cao Phi Bằng và cs. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu được ghi nhận về nhóm protein này trên cây diêm mạch (Chenopodium quinoa), một trong những đối tượng cây trồng mang lại giá trị kinh tế cao, có tiềm năng phát triển ở Việt Nam và mới được giải mã thông tin di truyền gần đây (Jarvis et al. Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi đã thực hiện đề tài “Chú giải và phân tích mức độ phiên mã của nhóm gene mã hóa protein vận chuyển đường sucrose trên cây diêm mạch (Chenopodium quinoa)”.
Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mô tả những đặc tính cơ bản của nhóm gene CqSWEET ở 1 cây diêm mạch. Các thành viên của nhóm gene CqSWEET đã được xác định và chú giải trên dữ liệu di truyền của cây diêm mạch. Sơ đồ hình cây của nhóm protein CqSWEET của cây diêm mạch. Đặc điểm cấu trúc gene, trật tự sắp xếp exon/intron của các gene CqSWEET đã được phân tích.
Đặc điểm cấu trúc protein xuyên màng, protein ngoài màng, protein trong màng, cấu trúc bậc 2, bậc 3 của protein. Cuối cùng, mức độ biểu hiện của các gene tại một số cơ quan/bộ phận trên cây diêm mạch đã được khai thác bằng công cụ phân tích dữ liệu lớn. Mục đích và yêu cầu của đề tài 1. Mục đích của đề tài Nghiên cứu này được thực hiện nhằm tìm hiểu vai trò của họ gene mã hóa protein vận chuyển đường sucrose trên cây diêm mạch hướng đến việc tìm hiểu chức năng gene CqSWEET liên quan đến tính chống chịu bất lợi ở cây trồng nói chung và cây diêm mạch nói riêng.
Kết quả của nghiên cứu này có thể cung cấp những dẫn liệu khoa học quan trọng cho việc tìm hiểu về cơ chế chống chịu bất lợi ở cây diêm mạch, từ đó định hướng cho công tác chọn tạo giống diêm mạch ứng phó với biến đổi khí hậu. Yêu cầu của đề tài Yêu cầu của đề tài bao gồm có năm yêu cầu chính: - Xác định và định danh nhóm gene CqSWEET trong genome của diêm mạch. - Xây dựng sơ đồ hình cây của nhóm protein CqSWEET của cây diêm mạch. - Phân tích cấu trúc bậc 2, bậc 3 và cấu trúc xuyên màng đặc trưng của nhóm protein CqSWEET của cây diêm mạch.
- Phân tích cấu trúc đặc tính của nhóm gene CqSWEET của cây diêm mạch. - Đánh giá dữ liệu biểu hiện của nhóm gene CqSWEET của các cơ quan và bộ phận chính trên cây diêm mạch. 2 Phần II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Giới thiệu chung về cây diêm mạch Cây diêm mạch (Chenopodium quinoa) là một loại cây hai lá mầm, thường cao khoảng 2 m, là một cây hoa trong gia đình rau dền.
Là một loại cây thân thảo hàng năm, cung cấp hạt để phục vụ nhu cầu sử dụng của con người. Hạt diêm mạch giàu protein, chất xơ, vitamin B và khoáng chất chế độ ăn uống với số lượng lớn hơn trong nhiều loại ngũ cốc. Diêm mạch là một loại cây đang được trồng phổ biến ở một số nước phát triển. Vì diêm mạch có khả năng kháng nhiều loại bất lợi phi sinh học và hạt của nó có giá trị dinh dưỡng tốt hơn bất kì loại ngũ cốc chính nào khác, nó được coi là cây trồng trong tương lai để đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu.
Phân loại thực vật và nguồn gốc xuất xứ của cây diêm mạch Cây diêm mạch được gọi theo tên tiếng anh là Quinoa, trong tiếng Tây Ban Nha là Quinua, thuộc chi Chenopodium, thuộc họ Rau Muối (Chenopodiacea), và thuộc lớp Dicotyledoneae. Từ năm 7000 - 2000 trước công nguyên cây diêm mạch đã được tìm thấy từ khu vực núi Andean của Bolivia và Peru (Nam Mỹ) (Garcia et al. Đây cũng là nơi xuất xứ của nhiều loại cây trồng có vai trò quan trọng trên thế giới. Sự thuần hóa của cây diêm mạch được giả thiết là đã bắt đầu ở vùng Andean khoảng 7000 năm trước.
Nhiều thế hệ nông dân đã tham gia vào việc chọn lọc diêm mạch, điều này giải thích cho mức độ đa dạng di truyền cao ngày nay. Theo tài liệu khảo cổ, từ 2000 - 5000 năm trước công nguyên, di vật hóa thạch của cây diêm mạch xuất hiện chủ yếu ở Peru, là cây trồng của bộ tộc da đỏ Inca, Maia. Diêm mạch được trồng phổ biến và rộng rãi tại nhiều đất nước trên toàn thế giới như Chile, Bolivia, Peru, Colombia… Diêm mạch vẫn là thực phẩm chính của người dân bản địa trên dãy Andes qua nhiều thế kỷ. Sau cuộc chinh phục của người Tây Ban Nha, diêm mạch đã bị từ chối là "thực phẩm của Ấn Độ" nhưng nó chưa bao giờ biến mất mặc dù sự xuất hiện của các loài Cựu thế giới.
Sau nhiều thế kỷ bị lãng quên, tình trạng dinh dưỡng của diêm mạch đã 3 được phát hiện lại trong nửa sau của thế kỷ XX, dẫn đến sự phục hưng sản xuất của nó (Repo et al. Hạt diêm mạch được dùng làm lương thực trong các bữa ăn hằng ngày của người dân tại các vùng thung lũng Andes và các vùng lân cận. Hiện nay diêm mạch đã được trồng rộng rãi hơn trên thế giới do nhu cầu ở các nước phát triển khác đang bắt đầu tìm kiếm những loài thực phẩm mới, những loại ngũ cốc dinh dưỡng. Đặc điểm sinh học của cây diêm mạch Diêm mạch là cây trồng hàng năm, hiện nay có rất nhiều giống diêm mạch khác nhau, nên hình dáng cây cũng rất đa dạng.
Tuy nhiên, tất cả các giống đều có những đặc điểm đặc trưng chung của loài. Đặc điểm hình thái và di truyền đặc trưng của C. Quinoa đã được tìm hiểu và khái quát như sau: Đầu tiên, rễ cây là rễ cọc, phân nhánh. Cây có rễ phát triển theo chiều dọc đâm sâu 1,2 - 1,5 m xuống dưới đất.
Rễ chủ yếu tập trung ở độ sâu 10 - 30 cm (hình 2. Rễ cây dài, ngắn, độ sâu của rễ phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như loại đất, độ tơi xốp của đất, mùa vụ. Ngoài ra, rễ cây còn ảnh hưởng trực tiếp tới chiều cao cây và khả năng chống chịu hạn, khả năng chống đổ của cây (Đỗ Thị Ngọc Ánh, 2018). Thứ hai là thân cây thuộc loại thân thảo, mềm, có nhiều đốt tạo thành.
Chiều cao cây từ 1,7 - 2 m, phụ thuộc vào giống, mật độ hay môi trường chiều dài của thân từ 0,5 - 2 m. Thân cây có đặc điểm trương nước khi còn non và khô, xốp, rỗng ruột khi già. Thân có nhiều màu sắc khác nhau tùy theo từng loại giống như xanh, đỏ, vàng… (hình 2. Lá của cây diêm mạch là loại lá đơn, mọc cách, có hình ngọn mác hoặc ngọn giáo.
Lá chủ yếu có màu xanh, một số giống có màu tía hoặc màu hồng tía. Cuống lá dài và hẹp nối liền phiến lá và thân. Phiến lá mỏng, trên bề mặt có hệ thống gân lá nối liền với cuống, hệ thống gân lá có nhiều hình dạng. Chiều rộng lá có thể đạt tới 13 - 15 cm.
Lá diêm mạch được phủ bằng tinh thể (canxi oxalat) giúp chúng có thể giữ được độ ẩm, dễ dàng kiểm soát quá trình thoát hơi nước giúp tránh ánh nóng từ mặt trời (hình 2. Lá diêm mạch rất giàu các hợp chất 4 phenolic có đặc tính chống oxy hóa và chống ung thư. Polyphenol thực vật và hàm lượng phenolic có lợi cho sức khỏe con người, do có khả năng chống oxy hóa (Viktória et al. Hoa diêm mạch thuộc loại hoa lưỡng tính, mọc thành cụm, hình chùy, hoa diêm mạch chưa đầy đủ, không có cánh hoa.
Tỉ lệ hoa đực và hoa cái phụ thuộc vào từng loại giống cây. Chiều dài bông từ 15 - 70 cm tùy thuộc vào từng loại giống. Hoa diêm mạch mọc từ phía ngọn cây dọc theo thân. Mỗi chùy hoa có một trục trung tâm, từ đó có các trục thứ cấp, nơi mang những bông hoa dạng khối cầu với kích thước tối đa 3 mm (hình 2.
Để giảm sự thoát hơi nước, những bông hoa hình cầu mọc chi chít với nhau (Trần Thị Thu Trang, 2018). Hạt diêm mạch có hình nón, hình trụ, hình elip. Đường kính hạt từ 1,8 - 2,6 mm. Hạt có cấu tạo ngoài cùng là vỏ hạt, lớp vỏ có màu trắng, vàng, hồng, đen.
Vỏ hạt và phần ngoại nhũ có lớp saponin (Basra et al. Hạt diêm mạch không chứa gluten như lúa mì, vì thế với một số người nhạy cảm với gluten có thể dễ dàng sử dụng diêm mạch. Hạt của diêm mạch có kết cấu giòn và có hương vị khác nhau từ vị đắng đến vị ngọt (Caroty, 2017). a – Dạng thân cây; b – Lá; c – Hoa; d – Hạt 5 (Ảnh được thu thập tại trường đại học Tây Nguyên - thành phố Buôn Ma Thuật, Đăk Lăk do thầy Nguyễn Văn Lộc thuộc khoa Nông học - Học viện Nông nghiệp Việt Nam cung cấp ngày 31/07/2020.) Như vậy, cây diêm mạch có thể thích nghi với nhiều điều kiện thời tiết và địa hình khác nhau không chỉ phụ thuộc vào giống hay kiểu gene mà còn một phần phụ thuộc vào đặc điểm hình thái của cây.
Cây diêm mạch có thể trồng ở những vùng khắc nghiệt về nhiệt độ hay độ ẩm. Tình hình sản xuất diêm mạch trên thế giới và Việt Nam 2.