Cơ sở dữ liệu về các trình tự hệ gene của các cây họ Đậu

Chúng tôi sử dụng cơ sở dữ liệu hệ gene của các cây họ Đậu, gồm Đậu tương (G. max) 15, Đậu Cove (P. vulgaris) 16, Đậu gà (C. arietinum) 17, Đậu triều (C. cajan) 18, 19 và Cỏ ba lá thập tự (M. trulcatula) 20, 21, Đậu dại (L. japonicus) 22.

Xác định và phân tích các gene ZIP ở hệ gene của các cây họ Đậu

Phương pháp tìm kiếm gene tương đồng trong nghiên cứu này dựa vào các gene ZIP của cây đậu Cove. Tổng số 23 gene ZIP được sử dụng làm trình tự truy vấn (query sequence) 12. Cây phả hệ, các đặc điểm lí hóa cũng như sự biểu hiện các gene ZIP được phân tích bằng phương pháp tin sinh học 13. Mô hình cấu trúc không gian bậc hai của các protein được xây dựng nhờ Psipred23.

Xác định các gene mã hóa ZIP ở hệ gene của các cây họ Đậu

Các trình tự gene ZIP của cây đậu Cove 12 được sử dụng làm trình tự truy vấn để tìm kiếm các gene tương đồng trong hệ gene của các cây họ Đậu khác thông qua chương trình BLASTN. Tập hợp các gene mã hóa protein ZIP đã được xác định trong hệ gene của năm loài cây họ Đậu khác gồm đậu tương, đậu gà, đậu triều, đậu dại và cỏ thập tự ba lá. Tất cả các protein suy diễn của chúng đều có mang vùng bảo tồn ZIP (PF02535), được lưu trữ trên cơ sở dữ liệu Pfam (https://pfam.xfam.org/).

Họ gene ZIP ở các cây họ đậu là họ đa gene. Các cây họ đậu khác có số lượng các gene mã hóa ZIP khác nhau (Table 1). Trong đó, cây đậu gà chỉ có bảy gene ZIP, là loài có số gene ít nhất. Số lượng gene ZIP ở các loài đậu triều, đậu dại và đậu tương lần lượt là 12; 15; và 28. Ở cây cỏ thập tự ba lá, ngoài bảy gene đã được báo cáo 11, 12, trong nghiên cứu này, chín gene mới đã được phát hiện và lần lượt được đặt tên từ MtrZIP8 tới MtrZIP16. Trong báo cáo của Migeon et al. (2010), họ gene ZIP ở một số loài thực vật khác cũng là họ đa gene, như A. thaliana (18 gene), dương (20 gene), lúa (16 gene), rêu và dương xỉ (cùng 9 gene) 9. Cây ngô, một đại diện khác của nhóm cây một lá mầm, có chín gene mã hóa ZIP 10.

Đặc điểm các gene ZIP của các cây họ Đậu

Hầu hết các gene ZIP của cây họ Đậu đều là các gene phân đoạn với số lượng intron khác nhau, từ 1 tới 12 intron. Đa số các gene có hai hoặc ba intron. Kích thước các gene thuộc họ ZIP của cây họ đậu rất khác nhau. Gene CcZIP5ngắn nhất, có kích thước 759 nucleotide, trong khi gene GmZIP3dài nhất có 8539 nucleotide.

Khối lượng của các protein suy diễn khác nhau nhiều, protein GmZIP14 nhỏ nhất có 200 amino acid, (22,1 kDa), protein MtrZIP15 lớn nhất có 599 amino acid, (62,28 kDa). Trong tổng số 71 gene ZIP của các loài đậu triều, đậu gà, đậu dại, đậu tương và cỏ ba lá được phát hiện trong nghiên cứu này, 54 gene (76% tổng số gene) mã hóa cho các protein có từ 300 tới 400 amino acid. Phần lớn các protein này có tính acid hoặc acid yếu với giá trị pI nhỏ hơn 7 (74% tổng số protein), chỉ 11 protein (14%) có pI lớn hơn 8. Các đặc điểm lí-hóa của các gene ZIP và protein suy diễn của các cây họ đậu trong nghiên cứu này tương đồng với các ZIP của cây ngô (kích thước protein suy diễn từ 359 tới 490 amino acid) 10, của cây cỏ thập tự ba lá (protein có kích thước từ 350 tới 374 amino acid, có pI nhỏ hơn 7 và đều kị nước mạnh) 24. Tuy nhiên sự khác nhau lớn về kích thước của các protein suy diễn giữa các thành viên trong họ ZIP của cùng loài thực vật cũng đã được báo cáo ở các cây đậu Cove, cây A. thaliana, dương, lúa và một số cây khác 9, 12.

Cấu hình không gian của các protein suy diễn ZIP của các cây họ đậu đều có nhiều vùng xoắn xuyên màng điển hình (Figure 1). 51 trong tổng số 71 trình tự ZIP được phát hiện trong nghiên cứu này có 8 vùng xoắn, giống với một số protein đã được báo cáo bao gồm cả 7 protein ZIP của cây cỏ thập tự ba lá 24. Một số protein khác có ít hoặc nhiều hơn 8 xoắn xuyên màng. Đặc điểm này cũng được quan sát ở cây ngô, trong tổng số 9 protein ZIP của loài này có tới 6 phân tử ZIP có 6 hoặc 7 xoắn, một phân tử có 9 xoắn và chỉ có hai phân tử có 8 xoắn 10. Bên cạnh đó, hầu hết protein ZIP của các cây họ đậu cũng đều có motif giàu histidine có thể gắn với các ion kim loại.

Phân tích cây phả hệ và sự tiến hóa của họ ZIP ở các cây họ Đậu

Cây phả hệ của các ZIP của các cây họ đậu được xây dựng nhờ phần mềm MEGA5. Trong cây phả hệ này, các protein ZIP của các loài A. thaliana, dương, lúa, dương xỉ, rêu, đậu tương, đậu gà, đậu triều, đậu dại và cả của cây cỏ ba lá thập tự cũng như cây đậu Cove cũng được sử dụng (Figure 2). Dựa vào cây phả hệ với giá trị bootraps lớn, có thể chia các ZIP của các thực vật nghiên cứu thành bốn nhóm lớn, nhóm I-IV. Trong đó, nhóm I có đại diện của tất các loài thực vật nghiên cứu từ bậc thấp (rêu, dương xỉ) đến thực vật hạt kín. Nhóm này được chia thành bốn phân nhóm (IA-ID) với tổng số 70 protein của các cây họ Đậu. Phân nhóm IA gồm các đại diện là các protein tương đồng với bốn protein ở cây A. thaliana (AtZIP1, AtZIP3, AtZIP5 và AtZIP12). Số lượng các gene thuộc phân nhóm IA ở các loài cây họ đậu, đậu gà, đậu triều, đậu tương, đậu dại, cỏ ba lá thập tự và đậu cove lần lượt là 3, 5, 6, 8, 3 và 4. Phân nhóm IB ở các loài trên có số lượng gene lần lượt bằng 1, 3, 3, 4, 2 và 3, các gene này phân bố trên cùng nhánh với các gene AtIRT1, AtIRT2, AtZIP7, AtZIP8 và AtZIP10. Phân nhóm IC tập hợp các gene nằm trên cùng nhánh với AtIRT3, AtZIP4 và AtZIP9. Số lượng các gene thuộc phân nhóm IC ở các loài cây họ đậu, đậu gà, đậu triều, đậu tương, đậu dại, cỏ ba lá thập tự và đậu cove lần lượt là 2, 2, 4, 3, 2 và 2. Phân nhóm ID ở các loài cây họ đậu chủ yếu chỉ gồm một đến hai gene, nằm cùng nhánh với AtZIP6. Riêng cây đậu dại không có đại diện thuộc phân nhóm ID.

Các cây đậu gà, đậu triều và đậu dại không có đại diện thuộc về các nhóm II, III và IV. Trong đó, nhóm II và nhóm IV có đại diện ở ba loài đậu tương, cỏ thập tự ba lá và đậu cove. Riêng nhóm III chỉ có một đại diện ở cây đậu cove và hai đại diện ở cây đậu tương.

Kết quả này gợi ý rằng có sự tiến hóa không giống nhau giữa các gene ZIP ở các loài cây họ đậu. Trong đó, có thể hiện tượng mất gene nhóm II, III và IV đã xảy ra ở các loài đậu gà, đậu triều và đậu dại. Sự biến mất gene nhóm III còn xảy ra ở loài cây cỏ thập tự ba lá. Trong nhóm I, có hiện tượng bùng phát các gene phân nhóm IA ở cây đậu dại (chiếm tới 8 trong tổng số 15 gene). Phân tích cây phả hệ cũng cho phép xác định được nhiều sự kiện nhân gene xảy ra sau quá trình biệt hóa loài ở các cây họ đậu. Cây đậu tương có các hiện tượng nhân gene xảy ra ở tất cả các nhóm và phân nhóm, các hiện tượng nhân gene này thuộc kiểu nhân gene trên toàn hệ gene (WGD). Cây đậu cove có các hiện tượng nhân gene ở các phân nhóm IA (SD và WGD), IB (WGD) và nhóm IV (WGD). Các hiện tượng nhân gene phân nhóm IA (SD và WGD) và IB (WGD) cũng được quan sát ở cây đậu dại. Cây cỏ ba lá thập tự chỉ có các hiện tượng nhân gene (SD) ở phân nhóm IA (Table 2). Riêng ở cây đậu triều, do mức độ lắp ráp hệ gene còn chưa hoàn chỉnh nên chưa xác định được kiểu nhân gene đối với các gene nhóm IA và IB. Ngược lại, không có hiện tượng nhân gene sau quá trình biệt hóa loài xảy ra ở cây đậu gà. Hiện tượng nhân gene ZIP sau quá trình biệt hóa loài của cây họ đậu tương tự như ở một số loài cây đã được nghiên cứu như A. thaliana, dương, nho và lúa 9.

Sự biểu hiện của các ZIP của các cây họ Đậu

Sự biểu hiện của các gene mã hóa ZIP ở các cây họ Đậu được nghiên cứu hoặc qua phân tích ngân hàng mã phiên của các cây họ đậu được xây dựng bởi nhiều nhóm nghiên cứu. Trong đó bao gồm ngân hàng mã phiên RNA-seq được xây dựng từ 14 loại mô khác nhau ở cây đậu tương 25, dữ liệu Affymetrix GeneChip từ 64 thực nghiệm ở cây Cỏ ba lá thập tự 26, dữ liệu Affymetrix Lotus japonicus GeneChip từ các mô ở các giai đoạn phát triển của cây Đậu dại 27, dữ liệu RNA-seq của các mô sinh dưỡng, sinh sản, hạt của cây Đậu gà 28, 29 và ngân hàng Expressed sequence tags (EST) của cây Đậu triều 30.

Sự biểu hiện của các gene ZIP ở các loài khác nhau được giới thiệuTable 3 (đậu tương), Table 4 (cây cỏ ba lá thập tự),Table 5 (đậu dại), Table 6 (đậu gà).

Ở cây đậu tương, sản phẩm phiên mã của bốn gene GmZIP12, GmZIP13, GmZIP14 và GmZIP17 không được phát hiện trong tất cả các mô phân tích, các gene còn lại biểu hiện ở ít nhất một loại mô, trong đó 8/25 gene (GmZIP3, GmZIP4, GmZIP9, GmZIP16, GmZIP25 và GmZIP26) biểu hiện ở tất cả các mô phân tích. Gene GmZIP4 biểu hiện mạnh nhất ở lá, rễ, hoa, quả và hạt trong giai đoạn phát triển sớm khi so với các gene khác trong họ ZIP của cây đậu tương, đặc biệt trong mô rễ. Hai gene GmZIP27 và GmZIP4 biểu hiện trong nốt sần mạnh hơn các gene khác. Rễ cũng là mô mà ở đó, một số gene ZIP biểu hiện mạnh hơn nhiều khi so với sự biểu hiện của chính gene đó ở các mô khác như GmZIP5, GmZIP7, GmZIP15, GmZIP20, GmZIP22 và GmZIP28. Như vậy, ở đậu tương, rễ là nơi có sự biểu hiện đặc hiệu mô của nhiều gene ZIP.

Ở cây cỏ ba lá thập tự, có ba gene MtrZIP8, MtrZIP9 và MtrZIP14 không xác định được mức độ biểu hiện gene, các gene còn lại biểu hiện ở tất cả các mô. Trong đó, các gene MtrZIP3 và gene MtrZIP7 biểu hiện mạnh hơn ở mô lá và vỏ quả so với ở các mô khác. Hai gene MtrZIP2, MtrZIP6 và MtrZIP15 biểu hiện ưu thế ở rễ hơn so với ở các mô khác. Gene MtrZIP1 biểu hiện ưu thế ở mô hoa, gene MtrZIP11 hiện diện ưu thế ở hạt. Riêng gene MtrZIP16 biểu hiện yếu ở tất cả các mô. Hạt là mô mà hầu hết các gene biểu hiện thấp hơn ở các mô khác.

Tất cả 15 gene ZIP ở cây đậu dại đều biểu hiện ở tất cả các mô. Trong đó, gene LjZIP1 biểu hiện ưu thế so với các gene còn lại ở tất cả các mô, đặc biệt ở lá, rễ, nốt sần và hạt. Gene LjZIP8 biểu hiện ưu thế ở rễ và nốt sần so với ở các mô còn lại. Như vậy, ở cây cỏ thập tự ba lá cũng như cây đậu dại cũng có hiện tượng biểu hiện ưu thế của một gene ZIP so với các gene khác cùng họ, đồng thời, cũng quan sát được hiện tượng biểu hiện ưu thế theo mô của một số gene.

Ở cây đậu gà, một số gene ZIP có biểu hiện ở các mô sinh dưỡng. Ở lá, chỉ phát hiện được sự biểu hiện của gene CaZIP4. Đây cũng chính là gene biểu hiện ở cả chồi và rễ. Gene thứ hai biểu hiện ở rễ là CaZIP7. Ở chồi, sự biểu hiện của bốn gene đã được xác định là CaZIP1, CaZIP4, CaZIP5 và CaZIP6. Ở chồi hoa, chỉ gene CaZIP2 không biểu hiện, trong đó mạnh nhất là gene CaZIP3. Bốn gene biểu hiện ở chồi cũng đồng thời là các gene biểu hiện ở quả non.

Trong ngân hàng EST hiện có của cây đậu triều (C. cajan) (25,576 EST), chỉ có bốn EST tương ứng của gene CcZIP1 được phát hiện (mã số GR471863.1, GR471370.1, GR471011.1, GR471374.1). Với các gene còn lại, không có EST nào được phát hiện. Do ngân hàng EST này tương đối nhỏ nên để tìm hiểu sự biểu hiện của các gene ZIP của cây đậu triều có lẽ cần có các thực nghiệm bổ sung trong tương lai.

Nghiên cứu biểu hiện các ZIP ở một số thực vật đã được báo cáo như A. thaliana4, 8, lúa, dương, nho 9, ngô10 và cả một số loài cây họ Đậu như cỏ thập tự ba lá 11 và đậu Cove 12.

Đáng chú ý, sự biểu hiện của hầu hết các gene ZIP đều đáp ứng với sự thiếu hụt Zn và Fe ở các loài thực vật đã nghiên cứu. Một số gene ZIP còn phản ứng với sự thiếu hụt Mn 24. Sự biểu hiện khác nhau của các gene ZIP ở các loại mô khác nhau, hoặc ở các thời kì sinh trưởng khác nhau cũng đã được chứng minh như ở cây ngô 10, cây đậu cove 12.