Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng, việc hiểu rõ cơ chế sinh học phân tử điều hòa khả năng sinh trưởng và chịu stress của cây trồng có ý nghĩa then chốt trong cải tiến giống. Cây diêm mạch nổi bật với khả năng chịu hạn, mặn và nhiệt độ khắc nghiệt, nhưng các cơ chế di truyền liên quan đến sự ra hoa và đáp ứng stress ở loài này vẫn còn hạn chế. Họ yếu tố phiên mã CONSTANS-like đã được chứng minh đóng vai trò trung tâm trong điều hòa ra hoa ở nhiều loài thực vật, nhưng chưa được nghiên cứu hệ thống ở quinoa. Do đó, nghiên cứu này cung cấp nền tảng quan trọng cho các chiến lược chọn tạo giống quinoa thích nghi tốt với những biến đổi của môi trường.
Bài báo phân tích một cách toàn diện về họ yếu tố phiên mã CONSTANS-like (CqCOL) trong cây diêm mạch (Chenopodium quinoa), một loài giả ngũ cốc có giá trị dinh dưỡng cao và khả năng thích nghi môi trường khắc nghiệt. Nhóm nghiên cứu đã xác định được 20 gen CqCOL, phân tích đặc điểm lý hóa, cấu trúc gen, mối quan hệ phát sinh loài, vùng điều hòa promoter và mô hình biểu hiện gen dưới điều kiện bình thường và stress nhiệt. Kết quả cho thấy sự đa dạng về cấu trúc và biểu hiện của họ gen này, đồng thời nhấn mạnh vai trò tiềm năng của các gen CqCOL trong điều hòa ra hoa theo quang chu kỳ và đáp ứng với các tín hiệu stress sinh học và hormone.
20 gen CONSTANS-like (CqCOL) trong hệ gen của cây diêm mạch được xác định bằng phương pháp phân tích tương đồng trình tự với các gen đã biết ở Arabidopsis và củ cải đường. Các gen này mã hóa cho các protein có đặc điểm lý hóa đa dạng, với khối lượng phân tử dao động từ 28,29 đến 64,00 kDa, chỉ số điểm đẳng điện (pI) nằm trong khoảng từ 4,61 đến 6,59, và toàn bộ đều có chỉ số GRAVY âm, cho thấy bản chất ưa nước đặc trưng – phù hợp với vai trò của chúng trong môi trường nội bào.
Hình 1. Phân tích phát sinh phân nhóm họ CqCOL ở cây diêm mạch
Phân tích phát sinh loài phân nhóm 20 gen CqCOL thành ba nhánh chính, gợi ý sự phân hóa tiến hóa và tiềm năng đa chức năng của họ gen này. Đồng thời, phân tích cấu trúc gen cho thấy sự đa dạng về tổ chức exon-intron, với số lượng exon dao động từ 2 đến 4, cho thấy sự khác biệt trong cơ chế điều hòa phiên mã. Đặc biệt, vùng promoter của các gen CqCOL chứa nhiều yếu tố điều hòa cis liên quan đến đáp ứng với stress (như LTRE, MBS, TC-rich repeats) và hormone thực vật (ABRE, GARE, TATC-box, TGACG-motif…), từ đó cho thấy các gen này có thể tham gia vào mạng lưới điều hòa phức tạp liên quan đến stress và phát triển. Kết quả phân tích transcriptome cho thấy phần lớn các gen CqCOL có biểu hiện ổn định dưới điều kiện stress nhiệt, ngoại trừ CqCOL02 và CqCOL12 có biểu hiện tăng đáng kể ở mô rễ, cho thấy vai trò tiềm năng trong đáp ứng với nhiệt độ cao thông qua tín hiệu hormone. Dưới điều kiện bình thường, một số gen như CqCOL01, CqCOL11 và CqCOL18 có biểu hiện đặc hiệu ở mô hoa và lá, trong khi hoàn toàn không được phát hiện ở rễ, từ đó khẳng định khả năng chuyên biệt hóa chức năng của các gen này trong điều hòa ra hoa và phát triển cơ quan ở diêm mạch.
Hình 2. Phân tích cấu trúc gene của họ CqCOL ở cây diêm mạch
Hình 3. Phân tích biểu hiện của họ CqCOL ở cây diêm mạch
Nguồn bài: PGS. TS. Trần Thị Thanh Huyền