Cơ sở phân tử của sự phát triển thực vật

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA SỰ PHÁT TRIỂN THỰC VẬT Sự điều hòa biểu hiện gen ở Eucaryote Phát triển là quá trình kiểm soát sự biểu hiện gen, quá trình điều hòa phức tạp về cơ chế, cơ bản có 5 mức độ: 1- Sự xoắn của NST (Chromatin Packing) 2- Kiểm soát sự phiên mã (Transcriptional Control) 3- Điều hòa hậu phiên mã (Posttranscriptional) [Nhân tế bào (Nuclear levels)] 4- Kiểm soát sự giải mã (Translational Control) 5- Điều hòa hậu giải mã (Posttranslational Control) [Cytosol (Cytoplasmic levels)] 2 3 4 5 Sự điều hòa phiên mã bởi những phân tử protein,yếu tố phiên mã (transcription factors -TF). Các phân tử protein này luôn hiện diện trong tế bào và bám vào enhancer của DNA khi phân tử DNA có tín hiệu phiên mã. 6 Điều hòa sau phiên mã (Posttranscriptional control) - Loại bỏ introns - mRNA rời khỏi nhân tế bào - Có thể kiểm soát tốc độ di chuyển của mRNA ra cytosol (điều hòa số lượng và sản phẩm) 7 Processing of mRNA Transcripts 9 Điều hòa giải mã (Translational Control) Quá trình kiểm soát và xác định mức độ mRNA được mã hóa thành protein bao gồm kiểm soát sự hiện diện của 5’-CAP, 3’-polyA và ảnh hưởng của sự hoạt động protein sản phẩm trong quá trình giải mã. 10 11 12 Summary of Gene Expression (Eukaryotes) 13 Moâ hình hormon (ñoäng vaät) 14 Thoâng tin thöù 2 cuûa hormon (ñoäng vaät) 15 Thoâng tin thöù 2 cuûa hormon thöïc vaät • Yeáu toá ñaùp öùng (RE: responsive element) cuûa hormon thöïc vaät: GARE, ABRE, ERE (GCCGCC)… 16 Mô hình hoạt động của auxin Biểu hiện gen trong quá trình sinh phôi Nguyên tắc nghiên cứu sự biểu hiện gen trong quá trình sinh phôi là thu thập các biểu hiện đột biến và phân tích theo mô hình của Arabidopsis thaliana). Có khoảng 3.500 gen cần cho sự phát triển phôi hoàn chỉnh, trong đó khoảng 40 gen liên quan trực tiếp quá trình, (nếu đột biến sẽ có biểu hiện khiếm khuyết của phôi). 18 Caùc kieåu ñoät bieán theo truïc doïc caây maàm 19 20 Caây hoang daïi: hôïp töû keùo daøi, phaân chia laàn 1 cho teá baøo ngoïn nhoû (phoâi) vaø teá baøo goác lôùn (daây treo), sau ñoù luoân theo caùc höôùng xaùc ñònh. Ñoät bieán gnom: hôïp töû ít keùo daøi, phaân chia laàn 1 caân xöùng, sau ñoù khoâng theo höôùng xaùc ñònh. Phoâi hoang daïi coù 2 taàng ôû giai ñoaïn 8 teá baøo: taàng treân cho töû dieäp + choài; taàng döôùi cho truï haï dieäp + reã. Ñoät bieán monopteros (mp): 4 taàng phaân chia kieåu taàng treân cuûa phoâi daïi  thieáu truï haï dieäp & reã  gen mp kieåm soaùt taïo truï haï dieäp & reã. • Vì sao ñoät bieán gnom khoângcoù reã? • Gene gnom •  • Saûn phaåm X (?) •  • Gene mp hoaït ñoäng •  • Phaàn goác caây maàm Nhaän xeùt veà quaù trình sinh phoâi: (1) Söï bieåu hieän gene xaûy ra theo moät trình töï xaùc ñònh: gnom  mp  stm (2) Keùo daøi teá baøo theo höôùng vaø vò trí ñuùng cuûa maët phaúng phaân chia teá baøo laø nhöõng yeáu toá ñaàu tieân kieåm soaùt söï phaùt sinh hình thaùi. (3) Phoâi coù caáu truùc phaân taàng (phaân ñoaïn) ôû caùc giai ñoaïn sôùm. (4) Quaù trình sinh phoâi ñöôïc kieåm soaùt chính xaùc theo thôøi gian vaø khoâng gian. • (5) Nhôø söï ñieàu hoøa (theo thôøi gian vaø khoâng gian), caùc teá baøo daãn xuaát töø hôïp töû phaân hoùa, maát taäp tính phaân chia vaø laàn löôït cho nhöõng caáu truùc hình thaùi chuyeân bieät. • (6) Moãi teá baøo soma thöøa höôûng toaøn boä thoâng tin di truyeàn cuûa hôïp töû, nhöng chæ coù moät phaàn thoâng tin ñöôïc bieåu hieän trong teá baøo phaân hoùa. • (7) Tieàm naêng sinh phoâi cuûa teá baøo bò ñaøn aùp bôûi caùc töông quan trong cô theå nguyeân veïn. • (8) Söï töông quan (thuaän & nghòch) xuaát hieän sôùm trong quaù trình sinh phoâi (teá baøo ngoïn ñaøn aùp khaû naêng sinh phoâi cuûa teá baøo goác) vaø coù theå giaûi thích ôû möùc phaân töû (lieân heä gnom / mp). Söï nuoâi caáy teá baøo vaø thu nhaän caây chuyeån gen • Nuôi cấy mô và tế bào thực vật (Plant cell and tissue culture) là sự nuôi cấy in vitro tế bào và mô thực vật. • Kỹ thuật này có tính ứng dụng cao trong việc tạo các mẫu chuẩn sử dụng cho các nghiên cứu sinh lý, sinh hóa, di truyền hay cấu trúc thực vật. • Đây là phương tiện hữu hiệu trong vi nhân giống theo qui mô công nghiệp (micropropagation). Chuyển gen thực vật (Transgenic Plant) là một trong những lĩnh vực đang được đầu tư và phát triển. Sự kết hợp sử dụng các thể chuyển như vi khuẩn, súng bắn gen cùng với nuôi cấy tế bào (hay đồng nuôi cấy) đã tạo một điều kiện thích hợp cho sự tái tổ hợp DNA trong cơ thể thực vật. Hiện tượng chuyển gen xảy ra trong tự nhiên, con người chỉ phát hiện và cải tiến theo hướng thực dụng. • Caùc kieåu nuoâi caáy in vitro •  Nuoâi caáy ñoaïn thaân (plant culture) •  Nuoâi caáy phoâi (embryo culture) •  Nuoâi caáy cô quan (organ culture) •  Nuoâi caáy moâ hay moâ seïo (tissue or callus culture) •  Nuoâi caáy dòch treo teá baøo hay nuoâi caáy teá baøo (cell suspension or cell culture) •  Nuoâi caáy TBT (protoplast culture) •  Nuoâi caáy theå ñôn boäi (haploid culture): • haït phaán, bao phaán, noaõn, baàu noaõn Moâ seïo Dòch treo teá baøo Moät caùch toång quaùt, söï thu nhaän phoâi theå heä qua 2 giai ñoaïn quan troïng Söï taïo teá baøo sinh phoâi trong moâ seïo hay dòch treo teá baøo, giai ñoaïn naøy caàn hieän dieän cuûa auxin (rieâng reõ hay phoái hôïp cyt). Tieán hoaù phoâi theå heä vôùi söï giaûm hay loaïi boû auxin trong moâi tröôøng nuoâi caáy. Auxin tæng céng IAA 0 3 5 7 10 Thêi gian (ngµy) Giai ñoaïn tieán hoùa phoâi Giai ñoïan taïo teá baøo sinh phoâi (moâ seïo, dòch treo teá baøo) Phoâi hình caàu Phoâi hình chuøy Phoâi tröôûng thaønh Caùc giai ñoaïn tieán hoaù phoâi theå heä ôû moâ seïo laù Ñinh laêng g h b 20m f 200m e 300m d 400m c 140m Phôi ở giai đoạn hai tử diệp Cây con phát triển từ phôi 3. Söï chuyeån gen ôû thöïc vaät DNA taùi toå hôïp + Agrobacterium (vôùi plasmid bieán ñoåi) Nuoâi caáy vaø tuyeån choïn vôùi chaát khaùng sinh Suùng DNA The Golden Rice • Vitamin A deficiency is a major health problem • Causes blindness • Influences severity of diarrhea, measles • >100 million children suffer from the problem • For many countries, the infrastructure doesn’t exist to deliver vitamin pills • Improved vitamin A content in widely consumed crops an attractive alternative -Carotene Pathway Problem in Plants IPP Geranylgeranyl diphosphate Phytoene Lycopene  -carotene (vitamin A precursor) Phytoene synthase Phytoene desaturase Lycopene-beta-cyclase ξ-carotene desaturase Problem: Rice lacks these enzymes Normal Vitamin A “Deficient” Rice The Golden Rice Solution IPP Geranylgeranyl diphosphate Phytoene Lycopene  -carotene (vitamin A precursor) Phytoene synthase Phytoene desaturase Lycopene-beta-cyclase ξ-carotene desaturase Daffodil gene Single bacterial gene; performs both functions Daffodil gene -Carotene Pathway Genes Added Vitamin A Pathway is complete and functional Golden Rice 4. Coâ laäp, nuoâi caáy vaø dung hôïp teá baøo traàn Teá baøo traàn coâ laäp töø laù Khoai taây (Solanum tuberosum L.) Hoãn hôïp enzym celulaz 0,05%, Pectolyaz 0,025% trong dung dòch sorbitol 6%. Phát sinh phôi thể hệ từ sự nuôi cấy tế bào trần ở cây Chuối • Phaân tích di truyeàn • Boä gen nhaân: Phaàn lôùn caây lai khoâng beàn nhieãm saéc theå; moät soá nhieãm saéc theå bò loaïi. • Boä gen luïc laïp: Caây lai chæ coù moät kieåu luïc laïp [thay boä gen luïc laïp]. • Boä gen ti theå goàm nhieàu döôùi phaân töû coù nguoàn goác töø 2 tb cha-meï Sơ đồ hệ thống điện xung (gene pulser) Tuyeån choïn ôû möùc teá baøo Nhuoäm soáng teá baøo traàn: fluorescin cho teá baøo naøy vaø rhodamin cho teá baøo kia. Duøng teá baøo A khaùng chaát A, teá baøo B khaùng chaát B vaø tuyeån choïn tb khaùng ñoàng thôøi A vaø B. Tuyeån choïn ôû möùc caây taùi sinh Ñoái vôùi boä gen nhaân, coù theå döïa vaøo caùc chæ thò hình thaùi, sinh hoùa (isoenzym), phaân töû (doø phaân töû, RFLP, RAPD...) vaø teá baøo (quan saùt nhieãm saéc theå ôû metaphase)... •Tuyeån choïn caùc saûn phaåm dung hôïp • Thí duï veà söï lai theå heä ôû khoai taây • Doøng BF 15 nhaïy virus & tuyeán truøng. • Ñieän dung hôïp: BF 15 * Aminca (khaùng) • Nuoâi caáy: moâ seïo vaø thu nhaän caây taùi sinh Kieåu isoenzym malat dehydrogenaz cuûa caây lai BF 15 x Aminca • Trieån voïng vaø khoù khaên trong söï dung hôïp teá baøo traàn • * Loaïi tröø tính baát thuï höõu tính, chuyeån ñaëc tính coù ích vaøo caây troàng. • * Ít phöông tieän, ít toán keùm, nhanh vaø tröïc tieáp. • [Thaønh coâng ôû khoai taây, caø chua, baép caûi, thuoác laù, ñaäu, luùa, baép…] • * Caàn hoaøn thieän kyõ thuaät nuoâi caáy TBT • * Tuyeån choïn phöùc taïp Thí duï ôû colza Vaøi ñoät bieán gen ti theå gaây voâ sinh ñöïc teá baøo chaát (SMC): haït phaán khoâng hoaït ñoäng. SMC ñöôïc duøng ñeå saûn xuaát hoät giöõ ñaëc tính meï (khoâng phaûi ngaét nhò baèng tay). SMC ñöôïc ñöa vaøo colza nhôø söï giao vôùi radis: caây lai khieám khuyeát dieäp luïc toá. Lai theå heä colza bình thöôøng X colza SMC (nhôø giao vôùi radis).