Nội dung môn “Giai đoạn trưởng thành thực vật bậc cao” Seminar: “ODDSOC2 một gene MADS Box ức chế hoa điều hòa kìm hãm (down-regulated) thọ hàn loại ngũ cốc ôn đới” • GVHD: - TS Nguyễn Du Sanh • Hai đối tượng thí nghiệm: Cây ngũ cốc ôn đới: - Lúa mì (Triticum aestivum) Kingdom: Plantae (unranked): Angiosperms (unranked): Monocots (unranked): Commelinids Order: Poales Family: Poaceae Subfamily: Pooideae Tribe: Triticeae Genus: Triticum Species: T aestivum http://en.wikipedia.org/wi ki/Common_wheat - Lúa mạch (Hordeum vulgare) Kingdom: Plantae (unranked): Angiosperms (unranked): Monocots (unranked): Commelinids Order: Poales Family: Poaceae Subfamily: Pooideae Tribe: Triticeae Genus: Hordeum Species: H vulgare[1] • ĐẶT VẤN ĐỀ: http://en.wikipedia.org/wiki/Hordeum_vul gare  Nhiều có nguồn gốc từ vùng khí hậu ôn đới đòi hỏi phải phơi nhiệt độ thấp kéo dài để hoàn tất việc hoa; tượng biết đến với tên gọi thọ hàn (vernalization)  Khi nghiên cứu nhiều TV đặc biệt Arabidopsis, ghi nhận có 80 gen cảm ứng hoa Adam Dimech đề nghị có nhóm gen chủ yếu điều khiển hoa: o Gene xác định thời điểm hoa (Flowering time gens: Gen xác định mô phân sinh Hoa): đáp ứng cho gen xác định hoa (như gen FLC gen ức chế hoa) o Gene (Cadastral genes: Flowering intergrator gens): có gen biết: Flowering Locus T (FT); Suppression of Overexpression of Constan (SOC1); FEAFY (FLY) o Gene xác định quan hoa (Floral meristem identity gens): mã hoá protein kích thích diện gen khác để tạo thành phần quan hoa (A,B,C) Các gen gen MADS Box điều khiển  Gen MADS Box :Các gen xác định quan hoa, điều khiển hình thành quan đặc trưng hoa, gen thuộc nhóm gọi gen MADS Box, gen có trình tự nucleotide mã hoá cho protein có tên MADS domain (vùng chức MADS) Điều cho phép protein gắn vào DNA giúp mã hoá Các gen MADS Box có mối liên hệ với trình hình thành cấu trúc hoa  MADS box trình tự motif bảo tồn tìm thấy gene thuộc họ gene MADS-box MADS box mã hóa cho vùng chức MADS liên kết với DNA Các protein có chứa vùng chức MADS thường yếu tố phiên mã Gene FLC (mã hóa cho yếu tố MADS box) ức chế hoa Hình – Các đường cảm ứng hoa Arabidopsis thaliana Source: Ainsworth, C (2006) Flowering and its Manipulation Blackwell publishing Ltd., pp 29-40 Ở Arabidopsis, việc đẩy nhanh trình hoa tăng lên độ dài ngày thực thông qua gene FLOWERING LOCUS T (FT; Karadailsky et al 1999; Kobayashi et al., 1999) FT mã hóa hormone hoa florigen tạo ngày dài di chuyển đến vùng mô phân sinh đỉnh nơi kích thích trình phát triển hoa (Corbesier et al., 2007) Sự cảm ứng ngày dài gene FT điều khiển protein CONSTANS (CO) (Onouchi et al., 2000; An et al., 2004) Sự biểu phiên mã gene CO tuân theo nhịp sinh học ngày đêm, cao vào cuối buổi chiều (Valverde et al., 2004; Jang et al., 2008) Trong ngày dài, mức cao biểu gene CO xảy sáng mà ổn định protein CO, cho phép hoạt hoá gene FT (Valverde et al., 2004; Jang et al., 2008) Kiểu Arabidopsis mùa đông không hoa nhanh chóng ngày dài trừ thọ hàn Điều kiện thọ hàn thực thông qua gene FLOWERING LOCUS C (FLC) yếu tố ức chế thực vật thuộc nhóm gene MADS Box (Michaels and Amasino, 1999; Sheldon et al., 1999), mà kìm hãm gene FT, promoter hoa thứ 2, SUPPRESSOR OF OVERPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1; Michaels and Amasino, 1999; Sheldon et al., 1999; Hepworth et al., 2002; Michaels et al., 2005) Sự thọ hàn điều hòa kìm hãm gene FLC, cho phép cảm ứng ngày dài gene FT SOC1 để đẩy nhanh việc hoa Sự ức chế cảm ứng thọ hàn gene FLC xảy thông qua phức hợp protein biến đổi histone locus gene FLC để đẩy nhanh trình bất hoạt chromatin (Schubert et al., 2006; Wood et al., 2006; De Lucia et al., 2008) Các biến đổi histone ức chế đặt chromatin gene FLC suốt trình thọ hàn trì ổn định, mà ức chế gene FLC giữ nguyên sau giai đoạn thọ hàn; điều cho phép cảm ứng ngày dài gene FT xảy mùa xuân thọ hàn (Shedon et al., 2000) Các chế phân tử kích thích hoa điều kiện ngày dài Arabidopsis bảo tồn ngũ cốc ôn đới Ví dụ, gene CO FT-like tìm thấy lúa mạch loài cỏ họ (Turner et al., 2005; King et al., 2006; Yan et al., 2006; Faure et al., 2007) Gene FT-like1 lúa mạch (FT1 hay VRN3) cảm ứng ngày dài có chức tương tự gene FT ngũ cốc (Turner et al., 2005; King et al., 2006; Yan et al., 2006; Faure et al., 2007) Giống trường hợp gene FT kiểu Arabidopsis cần thọ hàn, thọ hàn điều kiện tiên cho cảm ứng ngày dài gene FT1 lúa mạch đáp ứng thọ hàn (Hemming et al., 2008) Không có dạng đồng đẳng gene FLC nhận diện ngũ cốc Thay vào đó, VERNALIZATION2 (VRN2) biểu ngày dài để đàn áp cảm ứng gene FT1 trì hoãn hoa trước thọ hàn (Takahashi Yasuda, 1971; Yan et al., 2004; Trevaskis et al., 2006) Sự thọ hàn cảm ứng biểu VRN1 (Danyluk et al., 2003; Trevaskis et al., 2003; Yan et al., 2003; von Zitzewitz et al., 2005), gene điều hòa ức chế VRN2 kích thích biểu gene FT1 điều kiện ngày dài (Trevaskis et al., 2006; Yan et al., 2006; Hemming et al., 2008; Sasani et al., 2009) VRN1 thúc đẩy khởi đầu nở hoa vùng chồi đỉnh, bất chấp độ dài ngày Giống gene FLC, thay đổi trạng thái chromatin locus VRN1 hình thành chế ghi nhớ thọ hàn ngũ cốc thông qua việc cho phép trì tình trạng hoạt hóa ổn định gene VRN1 thọ hàn (Oliver et al., 2009) Những đáp ứng thọ hàn có mối liên hệ độc lập Arabidopsis ngũ cốc ôn đới  Một gene grass-specific MADS box, ODDSOC2 (OS2), phát đáp ứng lại trình thọ hàn loại ngũ cốc Và có mối liên hệ gene OS2 (HvOS2) gene HvVRN1 lúa mạch trình phát triển (Hv viết tắt tên khoa học lúa mạch)  Cây có biểu mức gene HvOS2 cho thấy giảm biểu đồng đẳng gene FLOWERING PROMOTING FACTOR1 (FPF1) (gene giúp đẩy mạnh phát triển hoa tăng cường kéo dài tế bào) Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) lúa mạch MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM  Đưa một mô hình mở rộng đường kiểm soát cảm ứng hoa thọ hàn mức độ gene ngũ cốc, giúp mô tả mối quan hệ điều hòa gene VRN1, OS2 FPF1-like  Nhấn mạnh giống khác việc đáp ứng lại thọ hàn ngũ cốc ôn đới mô hình Arabidopsis thaliana BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM:  TN1: HvOS2 bị ức chế thọ hàn  TN2: Promoter gene HvOS2 không làm tăng cường trimethyl hóa histone H3K27  TN3: Sự biểu gene HvVRN1 có liên quan đến điều hòa kìm hãm gene HvOS2  TN4: Sự biểu mức gene HvOS2 làm chậm hoa ức chế kéo dài cuống thân  TN5: Sự biểu mức HvOS2 điều hòa ức chế đồng đẳng gene FPF1 lúa mạch  TN6: Gen FPF1-Like điều hòa thọ hàn độ dài ngày lúa mạch • KẾT QUA  HvOS2 bị ức chế thọ hàn Hai dạng đồng đẳng gene TaMx23 lúa mạch (Trevaskis et al., 2003) nhận diện số ESTs lúa mạch có liệu GenBank Những gene tương đương trực tiếp Arabidopsis có giống nhỏ với gene SOC1, đặc tên ODDSOC1 (HvOS1) ODDSOC2 (HvOS2) Chúng tìm thấy ngũ cốc ôn đới thân cỏ tương tự Mức độ phiên mã HvOS1 HvOS2 kiểm tra suốt giai đoạn thọ hàn sau (Hình 1A) Mức độ phiên mã HvOS1 tăng lên trình thọ hàn, mức độ phiên mã HvOS2 giảm (Hình 1A) Do điều hòa kìm hãm yếu tố ức chế hoa gene FLC (mã hóa MADS box) đóng vai trò quan trọng đáp ứng thọ hàn Arabidopsis, vai trò HvOS2 đáp ứng thọ hàn lúa mạch kiểm chứng sau Để định xem liệu thay đổi việc biểu gene HvOS2 có trì sau thọ hàn hay không, mức độ phiên mã phân tích tuần sau đưa khỏi điều kiện lạnh Sự biểu HvOS2 trì mức độ thấp thọ hàn so sánh với đối chứng không thọ hàn (Hình 1B) Mức độ phiên mã HvOS2 kiểm tra chồi đỉnh, cho thấy biểu gene giảm chồi đỉnh thọ hàn (Hình 1C) Hình – Những thay đổi mức độ phiên mã gene HvOS1 HvOS2 cảm ứng thọ hàn A, Sự biểu gene HvOS1 HvOS2 lúa mạch (cv Sonja) nẩy mầm tối 20 oC (NV, không thọ hàn, cột màu trắng; n=4) so với nẩy mầm tối 4oC 49 ngày (V, thọ hàn, cột màu đen; n=3) thu hoạch giai đoạn phát triển tương đương B, Mức độ biểu gene HvOS2 mở thứ không thọ hàn (cột trắng; n=3) so với thọ hàn (PV, sau thọ hàn, cột đen; n = 3) thu hoạch giai đoạn ngày dài có lá, 10 ngày sau kết thúc thọ hàn C, Mức độ biểu gene HvOS2 chồi đỉnh (3050 chồi độc lập) từ không thọ hàn (0) thọ hàn 2, 5, tuần (w) sau trồng điều kiện ngày dài (n=2) Các thu hoạch giai đoạn có Tất mức độ biểu kiểm tra qRT-PCR có liên hệ với ACTIN Các Error bar SE (A B) hạng (C) Dấu giá trị P kiểm định ANOVA: * P