Các nhà khoa học đã xác định được hoạt tính của peptide cho sự phát triển ống phấn trên cây lúa

  Các nhà khoa học đã xác định được hoạt tính của peptide cho sự phát triển ống phấn trên cây lúa

Dương Thị Lan Oanh theo Phys.org

Thụ phấn kép là một cơ chế phức tạp ở thực vật có hoa, nơi hợp nhất của hai tế bào  hạt phấn và noãn để tạo thành túi phôi. Để đạt được điều này, hạt phấn được giải phóng di chuyển tới đầu nhụy, hút nước và nảy mầm trong ống phấn. Do vậy sự kéo dài của ống phấn rất quan trọng cho sự nảy mầm và quá trình thụ phấn kép, do đó ảnh hưởng đến năng suất hạt của cây.

 

Quá trình thụ phấn cần có các hormone peptide được gọi là các yếu tố kiềm hóa nhanh (RALF) liên quan đến quá trình truyền tín hiệu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng RALF đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ống phấn. Tuy nhiên, vai trò của chúng đối với cây một lá mầm như lúa vẫn chưa được xác định.

 

Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Hàn Quốc, đứng đầu bởi trợ lý giáo sư Yu-Jin Kim từ Bộ môn Khoa học Đời sống và Hóa sinh Môi trường tại Đại học Quốc gia Pusan, các nghiên cứu sinh tiến sỹ Eui-Jung Kim từ Đại học Kyung Hee đã xác định và mô tả hai peptide RALF trong cây lúa (Oryza sativa). Nghiên cứu của họ đã được đăng trực tuyến trên Journal of Integrative Plant Biology.

 

Nhóm nghiên cứu đã phân tích trình tự protein từ cơ sở dữ liệu Dự án giải trình tự gen ở lúa và xác định được 41 gen RALF. Trong số đó, OsRALF17 và OsRALF19 được thể hiện với số lượng lớn trong phấn hoa và vòi nhị. Các nhà nghiên cứu đã mô tả các peptide tương ứng của chúng bằng cách sử dụng thiết bị phân lớp đảo chiều xen kẽ lặp lại đều đặn (CRISPR)/CRISPR hệ thống protein liên kết 9 (Cas9) (bằng cách sử dụng trong cắt đoạn DNA).

 

Họ đã tạo ra các đột biến loại bỏ trực tiếp trong đó một hoặc cả hai gen RALF đặc hiệu của phấn hoa không được biểu hiện. Khi thiếu OsRALF17 và OsRALF19 biểu hiện gây ra hiện tượng bất thụ đực gần như hoàn toàn ở cây lúa với các khiếm khuyết trong quá trình hydrat hóa hạt phấn (thiếu sự vận chuyển nước tới vòi nhị), sự nảy mầm và phát triển ống phấn cho thấy tầm quan trọng quan trọng của chúng trong cơ quan sinh sản đực và tạo hạt. Điều thú vị là, khi các peptide OsRALF17 và OsRALF19 tổng hợp được áp dụng ngoại sinh cho các thể đột biến loại trực tiếp, chúng đã đảo ngược một số khiếm khuyết về khả năng sinh sản của chúng.

 

Giải thích về các ứng dụng thực tế của RALF, tiến sỹ Kim nói: "Các peptide RALF có thể kiểm soát quá trình thụ tinh ở thực vật bằng cách hoạt động như các hormone hóa học tự nhiên và các chất kiểm soát sinh học". Để kiểm tra tiềm năng của OsRALF ngoại sinh với vai trò là chất kiểm soát sinh học, nhóm nghiên cứu đã thêm hai peptit ở nồng độ thấp vào cây lúa bình thường, giúp tăng cường sự kéo dài của ống phấn hoa. Ngoài ra, hiệu ứng này dường như phụ thuộc vào liều lượng vì OsRALFs ức chế sự nảy mầm và phát triển của ống phấn hoa ở nồng độ cao hơn. Do đó, OsRALFs có thể kiểm soát sự cân bằng của sự phát triển của ống phấn.

 

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm phiên mã và protein để hiểu cơ chế hoạt động của OsRALF17 và OsRALF19. Họ phát hiện ra rằng cả hai peptide liên kết với một thụ thể protein có tên là Oryza sativa chuyển gen đực khiếm khuyết 2 (OsMTD2) và truyền tín hiệu thông qua các loại oxy phản ứng, tạo điều kiện cho sự nảy mầm của ống phấn hoa và duy trì tính toàn vẹn của cây lúa.

 

Nghiên cứu này cung cấp những hiểu biết mới về vai trò của RALF và OsMTD2 trong việc thụ phấn cho cây lúa, có khả năng mang lại lợi ích cho nông nghiệp. "Lúa là một trong những cây lương thực quan trọng nhất và biến đổi khí hậu toàn cầu đòi hỏi phải có các nguồn gen và giống cây trồng mới để sản xuất tốt hơn. Vì sự phát triển của các giống cây trồng mới đòi hỏi các dòng bất dục đực nên việc kiểm soát khả năng sinh sản của con đực thông qua các peptide RALF hoặc các dòng đột biến RALF có thể hữu ích cho nhân giống cây trồng... Ngoài ra, nguồn gen hữu ích từ cây lúa có thể được áp dụng cho các loại cây trồng khác”, TS. Kim kết luận.

Các nhà khoa học ở trường đại học quốc gia Pusan xác định 2 RALF OsRALF17 và OsRALF19 trong cây lúa (Oryza sativa) và đặc tính, vai trò của chúng trong quá trình nảy mầm kéo dài ống phấn trong quá trình thụ phấn. Nguồn: Yu-Jin Trường Đại học quốc gia Pusan.

Tìm thấy QTL mới điều khiển hấp thu P ở rễ lúa (Oryza sativa L.)

 Tìm thấy QTL mới điều khiển hấp thu P ở rễ lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Lam Thi Dinh, Yoshiaki Ueda, Daniel Gonzalez, Juan Pariasca Tanaka, Hideki Takanashi and Matthias Wissuwa. 2023. Novel QTL for Lateral Root Density and Length Improve Phosphorus Uptake in Rice (Oryza sativa L.).Rice (2023) 16:37; doi.org/10.1186/s12284-023-00654-z

 

Hệ thống rễ lúa có hai dạng hình rễ nhánh ngang, loại L lớn không xác định có khả năng đâmm nhánh nữa, và loại S xác định, ngắn, không phân nhánh nữa. Loại nhánh ngang  L tương ứng với các rễ điển hình của mễ cốc, trong khi đó, loại rễ ngang S độc nhất vô nhị trong cây lúa mà thôi. Cả hai dạnh hình này đều đóng góp vào khả năng hấp thụ dinh dưỡng và nước với biến dị di truyền về mật độ và chiều dài rễ có thể được người ta khai thác trong cải tiến giống lúa nhằm tăng cường khả năng thích nghi với điều kiện ngoại cảnh có dinh dưỡng và nước hạn chế. Mục tiêu nghiên cứu: xác định mật độ rễ ngang bao nhiêu là tốt nhất và chiều dài rễ, xác định markers liên kết với biến thiên di truyền ấy. Sử dụng nhiều môi trường khác nhau mà rễ lúa được trồng cho thấy rằng sàng lọc trong dung dịch dinh dưỡng biểu thị được biến thiên kiểu gen đối với mật độ số nhánh ngang S-type và L-type, nhưng chỉ có nhánh ngang trong đất trồng lúa mới biểu hiện được biến thiên theo chiếu dài rễ. Một QTL đích được thức hiện trong quần thể “mapping” từ bố mẹ có sự tương phản giữa tính trạng rễ ngang được trồng trên ruộng lúa nghèo lân, rồi lấy mẫu rễ lúa, tiến hành “scan”, rồi đo mật độ rễ, chiều dài rễ. Mỗi một QTL được tìm thấy biểu thị tính trạng LDC ( L-type density), SDC (S-type density), SDL (S-type density on L-type), SLL (S-type length on L-type), và RNO (crown root number). QTL của LDC định vị trên nhiễm sắc thể 5 có ảnh hưởng chính, giải thích được 46% biến thiên kiểu hình. Ảnh hưởng tích cực mạnh nhất được khẳng định trên kết quả bổ sung của thí nghiệm đồng ruộng, chỉ ra rằng các dòng lúa có alen của dòng bố “donor” ở qLDC5 chiếm 50% cao hơn LDC. Nghiên cứu cho thấy tính trạng rễ nhánh ngang đối với khả năng hấp thu lân theo “stepwise regressions” cho kết quả LDC và RNO có ảnh hưởng lớn nhất, theo sau đó là SDL. Hiệu ứng mô phỏng toán của những khác biệt rễ nhánh ngang được điều hành bởi QTL chủ lực trong “P uptake model” xác định chính qLDC5 quyết định hiệu quả cải tiến sự hấp thu lân, theo sau đó là qRNO9 đối với RNO và qSDL9 đối với “S-type lateral density thuộc loại hình L-type. Tích hợp các qLDC5 với qRNO9 và qSDL9 sẽ có thể là sự bổ sung cho nhau giữa các tính trạng chưa được tìm thấy. Sàng lọc kiểu hình đối với tính trạng RNO trong giai đoạn phát triển của giống sẽ có tính khả thi, tuy nhiên, sẽ tốn nhiều tiền để có kết quả đáng tin cậy đối với tính trạng mật độ rễ; markers được xác định ở đây là cơ hội đầu tiên kết hợp các tính trạng này trong chương trình cải tiến giống lúa.

 

Xem https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-023-00654-z

 

 

Hình: Xác định ảnh hưởng của alen tại qLDC5 trong quần thể con lai hồi giao BC1F6 từ số liệu “L-type lateral root density” trên ruộng lúa nghèo lân tại Tsukuba, năm 2022.

Đặc điểm tính kháng bệnh đạo ôn của tập đoàn giống lúa ở Sub-Sahara

 Đặc điểm tính kháng bệnh đạo ôn của tập đoàn giống lúa ở Sub-Sahara

Nguồn: Samuel K Mutiga, Philemon Orwa, Everlyne M Nganga, Martina M Kyallo, Felix Rotich, Emily Gichuhi, John M Kimani, David T Mwongera, Vincent M Were, Mary Jeanie Yanoria, Rosemary Murori, Emmanuel Mgonja, Cathrine Ziyomo, Lusike Wasilwa, Famata Bachabi, Marie-Noëlle Ndjiondjop, Ibrahima Ouedraogo, James C Correll, Nick J Talbot. 2023. Characterization of Blast Resistance in a Diverse Rice Panel from Sub-Saharan Africa. Phytopathology; 2023 Aug 29; PHYTO10220379R. doi: 10.1094/PHYTO-10-22-0379-R. 

 

Gần đây có sự gia tăng không đều trong cung cầu gạo tại vùng cận Sahara, châu Phi, vì sản lượng gạo bị ảnh hưởng bởi bệnh đạo ôn bùng phát. Đặc điểm tính kháng bệnh đạo ôn của giống lúa trồng của châu Phi có thể là thông tin quan trọng hướng dẫn nhà nông và nhà chọn giống lúa. Chúng tôi sử dụng chỉ thị phân tử của những gen kháng chủ lực được biết (gen Pi; n = 21) để xếp nhóm giống lúa châu Phi (n = 240) thành những  clusters di truyền thoe chỉ số tương đồng. Sau đó, chúng tôi sử dụng đánh giá kiểu hình trong nhà kính với các mẫu giống lúa ấy (n = 56) với các mẫu phân lập nấm Magnaporthe oryzae (n = 8 isolates) chúng có độc tính khác nhau và dòng di truyền (lineage) khác nhau. Các chỉ thị phân tử xếp nhóm giống lúa ấy thành 5 clusters di truyền (BRC) tùy theo mức độ trầm trọng của bệnh trên lá lúa. Sử dụng mô hình toán “stepwise regression”, chúng tôi ghi nhận các gen Pi gắn liền với sự giảm bệnh là Pi50 và Pi65, trong khi gen Pik-p, Piz-t, và Pik gắn liền với mức độ nhiễm bệnh tăng lên. Tất cả giống lúa trong cluster kháng mạnh nhất, BRC 4, bao gồm gen Pi50 và Pi65, chỉ có những gen này gắn liền với mức độ giảm bệnh nghiêm trọng trên lá lúa. Giống IRAT109, có gen Piz-t, kháng với bảy mẫu phân lập nấm M. oryzae châu Phi, trong khi giống ARICA 17 nhiễm với 8 mẫu phân lập. Giống Basmati 217 và Basmati 370 là giống lúa nhiễm nặng nhất. Kết quả chỉ ra rằng  hầu hết các gen xét nghiệm đều không hiệu quả kháng với bộ thu thập mầu nấm đạo ôn châu Phi. Các gen quy tụ (pyramiding) trong cluster di truyền kháng đạo ôn “Pi2/9 multifamily” trên nhiễm sắc thể 6 và gen Pi65 trên nhiễm sắc thể 11 có thể là biểu hiện của tính kháng đạo ôn phổ rộng. Muốn có nhiều kiến thức hơn về các vùng mục tiêu trong hệ gen với tính kháng đạo ôn, người ta thực hiện “gene mapping” phản ứng với bộ sưu tập pathogen nấm đạo ôn..

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36802875/

 

Hình. Cây gia hệ căn cứ theo sự có mặt của gen kháng bệnh đạo ôn (n=240 giống lúa). Giống màu xanh blue blue được chủng nấm Magnaporthe oryzae, giống màu đen không được chủng. Giá trị bootstrap trên 50% được hiển thị trên các nhánh.

OsJRL40, gen mã hóa “jacalin-related lectin”, làm tăng cường tính chịu mặn cây lúa

OsJRL40, gen mã hóa “jacalin-related lectin”, làm tăng cường tính chịu mặn cây lúa

Nguồn: Qinmei Gao, Xiaolin Yin, Feng Wang, Shuchang Hu, Weihao Liu, Liangbi Chen, Xiaojun Dai, Manzhong Liang. 2023. OsJRL40, a Jacalin-Related Lectin Gene, Promotes Salt Stress Tolerance in Rice. Int. J. Mol. Sci.; 2023 Apr 18; 24(8):7441. doi: 10.3390/ijms24087441.

 

ặn là stress chủ yếu ảnh hưởng đến năng suất và chất lượng gạo (Oryza sativa L.). Mặc dù người ta tìm thấy có nhiều gen điều khiển tính chống chịu mặn trong hệ gen cây lúa, nhưng cơ chế phân tủ tính chống chịu mặn vẫn còn chưa rõ. Ở đây, người ta ghi nhận gen OsJRL40, mã hóa “jacalin-related lectin”, có liên quan đáng kể đến tính trạng chống chịu mặn của cây lúa. Đột biến “loss of function” của gen OsJRL40 đã làm tăng tính nhiễm mặn, trong khi đó, sự biểu hiện mạnh mẽ của gen làm tăng cường tính chịu mặn ở giai đoạn mạ và gia đoạn phát dục. Phản ứng xét nghiệm gen “reporter” β-glucuronidase (GUS) cho thấy OsJRL40 được biểu hiên khi cây lúa chịu đựng mặn cao tại rễ và lóng thân so với tất cả mô khác trong cây lúa, kết quả phân tích định vị ở “subcellular” cho thấy protein OsJRL40 định vị trong tế bào chất (cytoplasm). Kết quả phân tích ở mức độ phân tử cho thấy OsJRL40 làm tăng cường hoạt tính của enzyme chống ô xi hóa và điều tiết sự kiện “Na+-K+ homeostasis” khi bị stress mặn. Kết quả chạy RNA-seq cho thấy gen OsJRL40 tính chống chịu mặn trong cây lúa bằng cách điều khiển sự biểu hiện của các gen mã hóa protein “Na+/K+ transporters”, những yếu tố phiên mã TFs phản ứng với mặn, và những protein khác có liên quan đến phản ứng với mặn. Nhìn chung, kết quả nghiên cứu đã cung cấp một cơ sở khoa học về cơ chế chống chịu mặn có chiều sâu và có thể hỗ trợ tích cực cho chương trình cải tiến giống lúa cao sản chịu được mặn cao.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37108614/

Đột biến có chủ đích cải tiến độ bạc bụng hạt gạo

 Đột biến có chủ đích cải tiến độ bạc bụng hạt gạo

Nguồn: Peter James Icalia Gann, Dominic Dharwadker, Sajedeh Rezaei Cherati, Kari Vinzant, Mariya Khodakovskaya, Vibha Srivastava. 2023. Targeted mutagenesis of the vacuolar H+ translocating pyrophosphatase gene reduces grain chalkiness in rice. The Plant Journal; (Published on line: May 2023); Volume115, Issue5; September 2023; Pages 1261-1276

 

Hình: Độ bạc bụng hạt gạo (Oryza savtiva L.) (Mitsui et al. 2013).

 

Độ bạc bụng (grain chalkiness) có dính  đến sản lượng gạo bởi vì nó tác động đến năng suất gạo xay chà và phẩm chất nấu, làm giảm giá trị thị trường gạo. Một gen mã hóa protein có tên “vacuolar H+ translocating pyrophosphatase” (gen V-PPase), là một locus trong hệ gen giống lúa loại hình indica, điều khiển tính trạng bạc bụng. Hoạt động phiên mã cao hơn của gen này gắn liền với kết quả bạc bụng tăng. Tuy nhiên, việc ức chế gen V-PPase có thể làm giảm bạc bụng vẫn chưa rõ ràng. Hơn nữa, biến dị trong tự nhiên về độ bạc bụng của loại hình cây lúa japonica không liên kết chặt với gen V-PPase. Ở đây, tác giả mô tả promoter đặc trưng của gen japonica V-PPase mà nó làm dẫn đến sự kiện làm giảm bạc bụng và phát triển ra nhiều hạt gạo trong. Sự gián đoạn của phân tử GATA theo giả định bởi hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 ức chế hoạt động của gen V-PPase, làm giảm bạc bụng và tác động tăng trưởng của hạt sau khi nẩy mầm; nó có thể được cứu bằng cách cung cấp thêm từ bên ngoài một chút đường sucrose. Hạt trưởng thành của dòng lúa chỉnh sửa gen đích biểu hiện tỷ lệ rất thấp  bạc bụng nhiều và bạc bụng trung bình. Chú ý, các dòng chỉnh sửa gen đã phát triển hạt gạo ít bạc bụng hơn trong điều kiện trời nóng, một tác nhân chính làm hạt gạo bạc bụng. Phân tích metabolomic cho thấy các chu trình có liên quan đến biến dưỡng tinh bột, biến dưỡng đường đều bị ảnh hưởng khi hạt lúa phát triển ở dòng lúa chỉnh sửa gen, chúng tương quan với pyrophosphate vô cơ cao hơn và hàm lượng tinh bột cao hơn, chúng điều tiết theo kiểu “up” đối với các gen sinh tổng hợp tinh bột. Tóm lại, việc tiếp cận phương pháp công nghệ sinh học làm giảm bạc bụng hạt gạo nhờ kỹ thuật “downregulating” hoạt động phiên mã của gen V-PPase dẫn đến kết quả tỷ chất chất biến dưỡng thay đổi đáng kể, bao gồm tinh bột, làm cho các hạt tinh bột đóng chặt hơn và tạo ra hạt gạo trong suốt.

 

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.16317

Phổ biểu hiện lipidome và tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa

 Phổ biểu hiện lipidome và tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa

Nguồn: Soichiro Honda, Yumiko Yamazaki, Takumi Mukada, Weiguo Cheng, Masaru Chuba, Yozo Okazaki, Kazuki Saito, Akira Oikawa, Hayato Maruyama, Jun Wasaki, Tadao Wagatsuma, Keitaro Tawaraya. 2023. Lipidome Profiling of Phosphorus Deficiency-Tolerant Rice Cultivars Reveals Remodeling of Membrane Lipids as a Mechanism of Low P Tolerance. Plants (Basel); 2023 Mar 18; 12(6):1365. doi: 10.3390/plants12061365.

 

Thực vật đã và đang tiến hóa thông qua nhiều cơ chế khác nhau về chống chịu thiếu lân, một trong những cơ chế ấy là thay đổi thành phần lipid trong màng tế bào nhờ thực hiện “remodeling” các phospholipids với những phân tử non-phospholipids. Mục tiêu nghiên cứu là xác định “remodeling” các trong màng tế bào  trong nhiều giống lúa trồng được xử lý thiếu lân. Lúa (Oryza sativa L.), giống canh tác Akamai, Kiyonishiki, Akitakomachi, Norin No. 1, Hiyadateine, Koshihikari, và Netaro) được trồng trong nghiệm thức 0 (-P) và 8 (+P) mg P L-1 môi trường dinh dưỡng lỏng. Chồi thân và rễ lúa được lấy mẫu vào lúc 5 và 10 ngày sau khi cây (DAT) trong dung dịch dinh dưỡng và theo dõi phổ biểu hiện lipidome bằng công cụ “liquid chromatography-mass spectrometry”. Phosphatidylcholine (PC)34, PC36, phosphatidylethanolamine (PE)34, PE36, phosphatidylglycerol (PG)34, phosphatidylinositol (PI)34 là những phân tử phospholipids chủ lực, và digalactosyldiacylglycerol (DGDG)34, DGDG36, 1,2-diacyl-3-O-alpha-glucuronosylglycerol (GlcADG)34, GlcADG36, monogalactosyldiacylglycerol (MGDG)34, MGDG36, sulfoquinovosyldiacylglycerol (SQDG)34 và SQDG36 là những phân tử non-phospholipids chủ lực. Các phospholipids trong cây lúa thấp hơn nếu cây được trồng trong nghiệm thức thiếu lân so với cây được trồng trong nghiệm thức +P trong tất cả giống lúa thử nghiệm vào lúc 5 và 10 ngày sau cấy. Mức độ phân tử non-phospholipids cao hơn trong nghiệm thức -P so với trồng trong nghiệm thức +P trong tất cả giống lúa thử nghiệm vào lúa 5 và 10 DAT. Phân hủy phospholipids trong rễ lúa vào lúc 5 DAT tương quan với tính chống chịu thiếu lân. Kết quả gợi ra rằng các giống lúa đã tái lập trình lipids trong màng tế bào khi thiếu lân, khả năng tái lập trình (remodeling) góp phần vào tính trạng chống chịu thiếu lân.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36987053/

Khám phá chức năng chính của sự bám dính thành tế bào màng plasma ở cây lúa và những gen quan trọng liên quan

 Khám phá chức năng chính của sự bám dính thành tế bào màng plasma ở cây lúa và những gen quan trọng liên quan

Dương Thị Lan Oanh theo Phys.org

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Plants, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Chao Daiyin từ Trung tâm chuyên nghiên cứu Thực vật Phân tử của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã xác định được một nhóm protein mới trong thực vật có tên là GAPLESS và tiết lộ rằng các protein trong nhóm này làm trung gian cho sự bám dính giữa thành tế bào và màng sinh chất ở đai Caspari (CS), một rào cản trong nội bì rễ. Độ bám dính này giữ vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự vận chuyển chất dinh dưỡng và sinh trưởng của cây lúa.

 

Các sinh vật sống cần có hàng rào để kiểm soát việc vận chuyển và trao đổi chất. Ở động vật, các tế bào biểu mô ruột được neo chặt thông qua một loạt các protein tổng hợp màng tế bào, tạo thành các "mối nối chặt chẽ" để bịt kín khoảng trống giữa các tế bào nhằm kiểm soát việc hấp thụ chất dinh dưỡng đồng thời ngăn chặn sự rò rỉ của chúng. Rễ là một cơ quan của thực vật có chức năng hấp thụ và vận chuyển nước và chất dinh dưỡng, có cấu trúc và chức năng tương tự như ruột động vật. Tế bào nội bì rễ, giống như tế bào biểu mô ruột, có chức năng kiểm soát sự vận chuyển nước/chất dinh dưỡng và ngăn ngừa rò rỉ nước/chất dinh dưỡng.

 

Tuy nhiên, do có sự hiện diện thành tế bào nên các tế bào nội bì của rễ cây không thể thiết lập được các mối nối chặt chẽ trực tiếp như tế bào biểu mô ruột. Ở thực vật đã phát triển một cấu trúc thành tế bào độc đáo gọi là đai Caspari (CS) nhằm ngăn chặn sự khuếch tán tự do của nước và chất dinh dưỡng. Được đặt theo tên người đã phát hiện ra nó là Robert Caspary, cấu trúc này bao gồm gỗ hoá không thấm nước, ngăn cản sự khuếch tán tự do của các chất hòa tan trong nước.

 

Năm 1935, nhà khoa học người Mỹ Bryant đã phát hiện ra màng sinh chất tiếp theo là đai Caspari (CS), còn được gọi là miền CS (CSD), bám chắc vào đai Caspari, giống như các mối nối chặt chẽ ở động vật. Sự kết dính này cực kỳ mạnh mẽ và thậm chí không thể phân tách bằng các phương pháp xử lý thẩm thấu cao có khả năng phân tách riêng các tế bào. Sự bám dính này được cho là đóng một vai trò quan trọng ở thực vật. Do khó nghiên cứu và thiếu bằng chứng, suy đoán này vẫn chưa được xác nhận, cơ sở phân tử và cơ chế bám dính mà nó tạo ra vẫn chưa rõ ràng.

 

Trong nghiên cứu này, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã xác định được một loạt gen biểu hiện cụ thể trong lớp nội bì của rễ cây lúa thông qua phân tích tin sinh học. Trong số đó, ba gen chưa được xác định trước đây có trình tự rất giống nhau và các protein mà chúng đã được mã hóa có cấu trúc không được bảo tồn ở đầu C, giàu glycine (G), alanine (A) và proline (P) và miền lectin được bảo tồn (LE) và peptide tín hiệu bài tiết (SS) ở đầu N. Các nhà nghiên cứu đặt tên cho nhóm này là GAPLESS. Những protein này hiện diện rộng rãi trong thực vật và được biểu hiện đặc biệt trong các tế bào chưa được phân hủy của nội bì.

 

Khi các gen mã hóa ba protein GAPLESS bị loại bỏ riêng lẻ, chỉ có gen đột biến gapless1 (làm liền mạch) biểu hiện các khiếm khuyết về tăng trưởng và cân bằng nội môi ion rõ ràng như giảm chiều cao cây, giảm đẻ nhánh, năng suất cá thể thấp hơn, giảm nồng độ ion kali và tăng nồng độ ion canxi. Tuy nhiên, đột biến kép Gapless1/2 cho thấy kiểu hình tăng trưởng và cân bằng nội môi ion cực kỳ nghiêm trọng với hiệu suất dưới 3% so với kiểu hoang dã và hàm lượng ion kali chỉ bằng 10% so với kiểu hoang dã. Những kết quả này cho thấy tầm quan trọng của các protein này và dự đoán sự dư thừa chức năng của các gen này.

 

Nghiên cứu sau đó cho thấy chức năng ngăn cản của nội bì ở rễ của đột biến đơn Gapless1 để ngăn chặn sự khuếch tán tự do của các phân tử hòa tan trong nước giảm, trong khi ở đột biến kép Gapless1/2 thậm chí còn bị suy giảm nghiêm trọng hơn. Tuy nhiên, điều tra sâu hơn cho thấy rằng sự tích lũy CS lignin của chúng không ảnh hưởng, thay vào đó CS trong đột biến kép gapless1/2 có khe hở lớn hơn và mạnh hơn. Điều này cho thấy các lỗ hổng ngăn cản cản của chúng không phải nguyên nhân do CS gây ra.

 

Khi có sự tham gia của CS và CSD là cần thiết để thiết lập hàng rào ở tế bào nội bì nên các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi điện tử để quan sát cấu trúc này ở thực vật hoang dã và thực vật đột biến. Kết quả cho thấy sự tham gia của CS và CSD yếu đi ở đột biến đơn gapless1, và khoảng một nửa liên kết bị mất hoàn toàn ở đột biến kép gapless1/2 không khe hở, thậm chí liên kết còn lại bị thu hẹp nghiêm trọng. Những phát hiện này chỉ ra rằng họ protein GAPLESS cần thiết cho sự liên kết của CS và CSD và sự kết hợp tế bào rất quan trọng cho sự cân bằng dinh dưỡng và sự phát triển sinh trưởng của cây lúa.

 

Nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng các protein GAPLESS được định vị cụ thể ở CS và gần với protein OsCASP1, được xác định cụ thể trong CSD. Một loạt bằng chứng thực nghiệm cho thấy protein GAPLESS có thể tương tác mạnh với OsCASP1, tạo thành phức hợp GAPLESS-OsCASP mạnh mẽ. Do đó, protein GAPLESS được gắn với CS và OsCASP và được gắn với CSD tạo thành phức hợp ổn định, CS bám với màng tế bào từ đó ngăn chặn sự khuếch tán tự do của nước và ion trong rễ.

 

Việc làm sáng tỏ các đặc điểm phân tử và cơ chế hoạt động của GAPLESS không chỉ tăng thêm hiểu biết về chức năng của protein thành tế bào mà còn mở rộng kiến ​​thức về cơ chế kết dính của tế bào ở sinh vật đa bào.

 

Nghiên cứu này làm sáng tỏ bí ẩn trước đây về cơ chế phân tử làm cơ sở cho sự hình thành liên kết màng tế bào CS và xác định tầm quan trọng của liên kết chặt chẽ này đối với sự cân bằng dinh dưỡng và sự phát triển sinh trưởng của thực vật. Nó có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng khoáng và giải mã các cơ chế chịu mặn và hạn hán của thực vật, vì CS đóng một vai trò quan trọng trong việc hấp thụ có chọn lọc và phản ứng với các căng thẳng như hạn hán và nhiễm mặn của thực vật.

Protein GAPLESS cần thiết cho sự sinh trưởng, năng suất và cân bằng dinh dưỡng của cây lúa

Hình a: Hình ảnh đại diện của ZH11 và những đột gapless biến khe hở khác nhau được trồng trên ruộng lúa ở giai đoạn đầu. Các đột biến gapless1, gapless2, gapless3 và gapless1/2 là các dòng của           gapless1 – 1; gapless2- 1  và gapless3 -1  và gapless1-1/2 – 1. Ảnh được chụp sau khi cây được đào lên khỏi ruộng lúa.

Hình b: là hình ảnh đại diện của hạt từ một cây có kiểu gen khác nhau. Thống kê trọng lượng hạt trên mỗi cây được đánh dấu.

Hình c và d: Xác định số bông và chiều cao cây của ZH11 và những đột biến hở gapless khác nhau. Số liệu phân tích trên các mẫu độc lập. Biểu đồ c; n= 15 đối với ZH11 và gapless3. N= 21 trên gapless1, n= 11 đối với mẫu gapless2 và gapless1/2; n= 13 trên mẫu gapless3.

Hình e: hình ảnh đại diện cho các lá già từ ZH11 và những đột biến gapless khác nhau trên cùng ruộng lúa.

Hình f: Hình ảnh chiếu huỳnh quang tia X cho thấy sự phân bbos kali và canxi trong lá của các kiểu gen khác nhau.

Biểu đồ g: nồng độ kali; h: nồng độ canxi trong lá già của ZH11 và gapless1/2.  n = 17 đối với mẫu gapless1 và gapless3;  n= 20 đối với mẫu gapless2

Chữ cái trong đồ thị đo 10cm (a), 5 cm (b), 2cm (e) and 5mm (f) là số liệu đại diện cho giá trị trung bình  ± s.d. các chữ cái khác nhau c,d,g và h biểu thị sự khác biệt đáng kể ở P< 0,05 ( phân tích ANOVA một chiều của Tukey.

Nguồn: Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01503-z.