Sự đa dạng trong trình tự gen GmDREB5 của một số giống đậu tương địa phương Việt Nam - Chu Hoàng Mậu

Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 41 SỰ ĐA DẠNG TRONG TRÌNH TỰ GEN GmDREB5 CỦA MỘT SỐ GIỐNG ĐẬU TƯƠNG ĐỊA PHƯƠNG VIỆT NAM Chu Hoàng Mậu1*, Nguyễn Vũ Thanh Thanh1, Vì Thị Xuân Thủy2, Vũ Thị Hường3 1 Đại học Thái Nguyên, 2 Trường Đại học Tây Bắc, 3Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Giang TÓM TẮT Protein DREB không trực tiếp tham gia vào quá trình kháng hạn, tuy nhiên, nó là nhân tố kích hoạt đồng thời sự biểu hiện của các gen liên quan đến tính chịu hạn, trong đó có gen liên quan đến sự kéo dài rễ của cây đậu tương. Trong nghiên cứu này, gen GmDREB5 được chúng tôi phân lập từ 7 giống đậu tương địa phương Việt Nam có kích thước 924 bp, mã hóa 307 amino acid, chứa vùng AP2 và DNA binding site, đem so sánh với trình tự của giống đậu tương Trung Quốc có mã số EF583447. Dựa trên phân tích trình tự nucleotid và trình tự amino acid của gen GmDREB5 thì 8 giống đậu tương nghiên cứu được phân bố trong 2 nhóm, nhóm I gồm 4 giống chịu hạn kém (LBG, HE598783, HE647690, FR822737) và nhóm II gồm 4 giống chịu hạn tốt (XLS, HE648568, HE648567, EF583447). Khoảng cách di truyền dựa trên trình tự nucleotid là 3,7% và dựa trên trình tự amino acid là 6,1%. Những sai khác về trình tự nucleotid và trình tự amino acid của gen GmDREB5 giữa nhóm đậu tương chịu hạn tốt và nhóm chịu hạn kém có liên quan như thế nào với hoạt động phiên mã của gen liên quan đến sự kéo dài của rễ đậu tương cần có những nghiên cứu tiếp theo. Từ khóa: Hạn, đậu tương địa phương, đa dạng, kéo dài rễ, GmDREB5, kích hoạt phiên mã. MỞ ĐẦU* Khô hạn là yếu tố chính làm giảm năng suất đậu tương, có thể làm giảm 70%. Đặc tính chịu hạn của cây đậu tương liên quan chặt chẽ đến đặc tính hoá keo của nguyên sinh chất và đặc điểm quá trình trao đổi chất. Tính chịu hạn của cây đậu tương là tính trạng đa gen, bao gồm các gen mà sản phẩm của chúng tác động trực tiếp tới quá trình chịu hạn và sản phẩm của chúng kích hoạt quá trình phiên mã của nhóm gen chịu hạn. Protein DREB tuy không trực tiếp tham gia vào quá trình kháng hạn nhưng nó giữ vai trò là nhân tố kích hoạt đồng thời sự biểu hiện của các gen liên quan đến tính chịu hạn và không phụ thuộc vào ABA, trong đó có gen liên quan đến sự kéo dài rễ của cây đậu tương. DREBs thuộc họ ERF của các nhân tố phiên mã, bao gồm hai nhóm là DREB1/CBF và DREB2 được hình thành bởi tác động của yếu tố lạnh và mất nước. Các DREBs tham gia vào con đường tín hiệu stress sinh học. Yếu tố AP2/ERF đặc trưng bởi sự hiện diện của miền * Tel: 0913383289; E-mail: mauchdhtn@gmail.com AP2/ERF, đóng vai trò quan trọng trong việc điều hòa biểu hiện gen, đáp ứng với các stress sinh học và phi sinh học [3]. AP2/ERF tạo thành một siêu họ lớn, được chia thành ba nhóm có tên là AP2, ERF và RAV dựa trên sự tương đồng về trình tự [2]. Protein AP2 có chứa hai vùng AP2/ERF [4], RAV chứa một miền AP2/ERF và miền B3 [4], họ protein ERF có chứa một miền AP2/ERF duy nhất, và đôi khi còn chia thành hai phân họ lớn, phân họ CBF/ DREB và phân họ ERF. Gen trong phân họ CBF/ DREB giữ vai trò rất quan trọng trong các phản ứng của thực vật với stress phi sinh học bằng cách nhận diện được các yếu tố mất nước (DRE) với trình tự lõi A GCCGAC [4] và chỉ có một vài thành viên của ERF và phân họ CBF/DREB được đặc trưng ở cây đậu tương. GmDREB5 là một thành viên trong họ gen DREB được chúng tôi phân lập từ 7 giống đậu tương địa phương Việt Nam thuộc 2 nhóm chịu hạn tốt và chịu hạn kém [1, 5] so sánh với trình tự gen có mã số EF583447 trên GenBank [6] để xác định sự đa dạng di tuyền. Sự sai khác của các trình tự gen GmDREB5 có liên Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 42 quan thế nào đến sự biểu hiện gen kéo dài rễ cây đậu tương sẽ là cơ sở cho việc ứng dụng kỹ thuật tạo cây chuyển gen bằng cách điều khiển sự biểu hiện của DREBs, tăng khả năng biểu hiện của nhóm gen chịu hạn, trong đó có gen liên quan đến sự kéo dài rễ của cây đậu tương. Điều này sẽ mở ra một cơ hội tuyệt vời để phát triển cây đậu tương chuyển gen có khả năng chịu hạn cao. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Các trình tự gen được phân lập từ một số giống đậu tương địa phương như: Xanh Tiên Đài, Cúc lông Phú Bình, Xanh Ba Bể, Vàng Ngân Sơn, Bản Giốc, Xuân Lạng Sơn, Lơ Bắc Giang và trình tự có mã số EF583447 ở GenBank được sử dụng làm vật liệu nghiên cứu. Sử dụng các phần mềm chuyên dụng phân tích các trình tự gen để xác định sự đa dạng trong trình tự gen và trinh tự amino acid. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Sự đa dạng của trình tự gen GmDREB5 Chúng tôi tiến hành so sánh trình tự nucleotide của gen GmDREB5 phân lập từ một số giống đậu tương địa phương Việt Nam với trình tự nucleotid của gen GmDREB5 đã công bố trên Ngân hàng gen quốc tế (NCBI) có mã số EF583447, kết quả thu được thể hiện ở hình 1. Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 43 Kết quả so sánh trình tự nucleotid của gen GmDREB5 phân lập từ bảy giống đậu tương địa phương Việt Nam và trình tự nucleotid của gen GmDREB5 có mã số EF583447 trên Ngân hàng gen quốc tế cho thấy, trình tự nucleotid của gen GmDREB5 có một số sai khác tại một số vị trí nucleotid, đặc biệt xuất hiện một số đột biến xóa một vài đoạn nucleotid ngắn từ 3-9 bp. Kết quả xác định hệ số tương đồng và khoảng cách di truyền về gen GmDREB5 của 8 giống đậu tương LBG, XLS, EF583447, FR822737, HE598783, HE648567, HE647690, HE648568 được thể hiện ở bảng 1. Hình 1. Trình tự nucleotid của gen GmDREB5 phân lập từ một số giống đậu tương địa phương Việt Nam và trình tự nucleotid của gen GmDREB5 có mã số EF583447 trên GenBank BG: Phân lập từ giống Lơ Bắc Giang; LS: Phân lập từ giống Xuân Lạng Sơn; EF583447 trên Ngân hàng gen quốc tế do Chen phân lập từ giống đậu tương Trung Quốc; FR822737: Phân lập từ giống Xanh Tiên Đài; HE598783: Phân lập từ giống Cúc lông Phú Bình; HE648567: Phân lập từ giống Xanh Ba Bể; HE647690: Phân lập từ giống Vàng Ngân Sơn; HE648568: Phân lập từ giống Bản Giốc. Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 44 Bảng 1. Hệ số tương đồng và hệ số sai khác của trình tự gen GmDREB5 của các giống đậu tương nghiên cứu Hình 2. Biểu đồ hình cây so sánh mức độ tương đồng của trình tự gen GmDREB5 phân lập từ 8 giống đậu tương Chú thích: BG: Phân lập từ giống Lơ Bắc Giang; LS: Phân lập từ giống Xuân Lạng Sơn; EF583447 trên Ngân hàng gen quốc tế do Chen phân lập từ giống đậu tương Trung quốc; FR822737: Phân lập từ giống Xanh Tiên Đài; HE598783: Phân lập từ giống Cúc lông Phú Bình; HE648567: Phân lập từ giống Xanh Ba Bể; HE647690: Phân lập từ giống Vàng Ngân Sơn; HE648568: Phân lập từ giống Bản Giốc. Kết quả ở bảng 1 cho thấy hệ số tương đồng về từng cặp trình tự gen GmDREB5 trong 8 giống đậu tương dao động từ 91,6 % đến 99,7 %, hệ số sai khác từ 0,3% đến 8,9%. Biểu đồ hình cây (Hình 2) thể hiện mối quan hệ di truyền của 8 giống đậu tương trên cơ sở phân tích trình tự gen GmDREB5, kết quả phân tích cho thấy 8 giống đậu tương được phân thành 2 nhóm chính có khoảng cách di truyền là 3,7%. Nhóm I gồm 4 giống LBG, HE598783, HE647690 và FR822737. Nhóm II gồm 4 giống XLS, HE648567, HE648568 và EF583447. Giống đậu tương LBG cùng nhóm phụ với các giống đậu tương có mã số HE598783 và HE647690, FR822737 và HE647690 là các giống chịu hạn kém. Giống đậu tương XLS cùng nhóm phụ với các giống đậu tương có mã số HE648567, HE648568 và EF583447 là các giống chịu hạn tốt. Sự đa dạng của trình tự amino acid của protein DREB5 Gen GmDREB5 mà chúng tôi phân lập từ 7 giống đậu tương địa phương Việt Nam có kích thước 924 bp mã hoá 307 amino acid. Protein DREB5 của cây đậu tương chứa vùng AP2 có 61 amino acid, từ vị trí amino acid 105 đến 165. Miền gắn DNA tìm thấy trong sự điều hòa phiên mã của thực vật như là APETALA2 và EREBP (ethylene responsive element binding protein). Miền EREBP chứa hộp GCC có 11bp là nhân tố phản ứng đối với ethylene (ERE), đây chính là yếu tố cần thiết trong cấu trúc của promotor cho phản ứng với ethylene. EREBP và yếu tố ràng buộc CBF1 có trình tự lặp lại C tham gia vào việc phản ứng chống lại các bất lợi từ môi trường bao gồm một bản copy của miền AP2. Trong cấu trúc protein DREB5 có các điểm DNA binding (DNA binding site) có 11 amino acid ở vị trí amino acid 108, 109, 111, 113, 115, 117, 121, 123, 130, 132, 135. Chúng tôi tiến hành so sánh trình tự amino acid trong chuỗi polypeptide do gen GmDREB5 mã hoá của 7 giống đậu tương địa phương Việt Nam với trình tự amino acid trong chuỗi polypeptid của giống đậu tương đã công bố trên Ngân hàng gen quốc tế, kết quả so sánh thể hiện ở hình 3. So sánh trình tự amino acid mã hoá bởi gen GmDREB5 phân lập từ 7 giống đậu tương địa phương với trình tự amino acid mã hoá bởi gen GmDREB5 của giống đậu tương đã công bố trên ngân hàng gen quốc tế cho thấy trình tự amino acid của 8 giống đậu tương cho thấy có sự tương đồng cao (86,7 %- 99,0 %). Trình Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 45 tự amino acid của giống LBG so với giống EF583447 sai khác ở 46 vị trí, sai khác so với giống FR822737 ở 8 vị trí, sai khác so với giống HE598783 ở 3 vị trí, sai khác so với giống HE648567 ở 49 vị trí, sai khác so với giống HE647690 ở 7 vị trí và sai khác so với giống HE648568 ở 49 vị trí. Trình tự amino acid của giống XLS so với giống EF583447 sai khác ở 5 vị trí, sai khác so với giống FR822737 ở 45 vị trí, sai khác so với giống HE598783 ở 49 vị trí, sai khác so với giống HE648567 ở 3 vị trí, sai khác so với giống HE647690 ở 53 vị trí và sai khác so với giống HE648568 ở 3 vị trí. Kết quả xác định hệ số tương đồng, khoảng cách di truyền và mối quan hệ di truyền của 8 giống đậu tương LBG, XLS, EF583447, FR822737, HE598783, HE648567, HE647690, HE648568 trên cơ sở so sánh trình tự amino acid của DREB5 được thể hiện ở bảng 2 và sơ đồ hình 4. Hình 3. Trình tự amino acid của protein DREB5 ở một số giống đậu tương địa phương Việt Nam và của protein ở giống đậu tương trên GenBank BG: Phân lập từ giống Lơ Bắc Giang; LS: Phân lập từ giống Xuân Lạng Sơn; EF583447 trên Ngân hàng gen quốc tế do Chen phân lập từ giống đậu tương Trung Quốc; FR822737: Phân lập từ giống Xanh Tiên Đài; HE598783: Phân lập từ giống Cúc lông Phú Bình; HE648567: Phân lập từ giống Xanh Ba Bể; HE647690: Phân lập từ giống Vàng Ngân Sơn; HE648568: Phân lập từ giống Bản Giốc. Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 46 Bảng 2. Hệ số tương đồng và hệ số sai khác về trình tự amino acid DREB5 của 8 giống đậu tương Hình 4. Biểu đồ hình cây so sánh mức độ tương đồng protein DREB5 của 8 giống đậu tương BG: Phân lập từ giống Lơ Bắc Giang; LS: Phân lập từ giống Xuân Lạng Sơn; EF583447 trên Ngân hàng gen quốc tế do Chen phân lập từ giống đậu tương Trung quốc; FR822737: Phân lập từ giống Xanh Tiên Đài; HE598783: Phân lập từ giống Cúc lông Phú Bình; HE648567: Phân lập từ giống Xanh Ba Bể; HE647690: Phân lập từ giống Vàng Ngân Sơn; HE648568: Phân lập từ giống Bản Giốc. Bảng 2 cho thấy hệ số sai khác giữa các cặp trình tự amino acid trong 8 giống đậu tương dao động từ 0,3% đến 14,7%, 8 giống đậu tương phân bố thành 2 nhóm, nhóm I gồm 4 giống: LBG, HE598783, HE647690, FR822737; nhóm II gồm 4 giống XLS, HE648568, HE648567, EF583447. Hai nhóm có khoảng cách di truyền là 6,1%. KẾT LUẬN Gen GmDREB5 phân lập từ 7 giống đậu tương địa phương Việt Nam có kích thước 924 bp, mã hóa 307 amino acid. DREB5 chứa vùng AP2 có 61 amino acid, từ vị trí amino acid 105 đến 165 và các điểm DNA binding (DNA binding site) có 11 amino acid ở vị trí amino acid 108, 109, 111, 113, 115, 117, 121, 123, 130, 132, 135. Bảy giống đậu tương địa phương Việt Nam và giống đậu tương Trung Quốc được chia làm 2 nhóm, nhóm I gồm 4 giống chịu hạn kém (LBG, HE598783, HE647690, FR822737) và nhóm II gồm 4 giống chịu hạn tốt (XLS, HE648568, HE648567, EF583447). Khoảng cách về trình tự nucleotid là 3,7%, về protein là 6,1%. Những sai khác về trình tự nucleotid và trình tự amino acid của gen GmDREB5 giữa nhóm đậu tương chịu hạn tốt và nhóm chịu hạn kém có liên quan như thế nào với hoạt động phiên mã của gen liên quan đến sự kéo dài của rễ đậu tương (GmEXXP1) cần phải có những nghiên cứu tiếp theo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Chu HL, Nguyen VTT, Nguyen TA, Nguyen HH, Chu HM (2010). Characterization of the GmDREB5 gene isolated from the soybean cultivar Xanh Tiendai, Vietnam. Proceedings of 2010 International Conference on Biology, Environment and Chemistry (ICBEC 2010), Hong Kong, IEEE: 354-358. [2]. Gaiyun Zhang, Ming Chen, Liancheng Li, Zhaoshi Xu, Xueping Chen, Jiaming Guo and Youzhi Ma, (2009). Overexpression of the soybean GmERF3 gene, an AP2/ERF type transcription factor for increased tolerances to salt, drought, and diseases in transgenic tobacco. Journal of Experimental Botany, 60(13): 3781-3796. [3]. Li X.P., Tian A.G., Luo G.Z., Gong Z.Z., Zhang J.S., Chen S.Y., (2005). Soybean DRE-binding transcription factors that are responsive to abiotic stresses, Theor Appl Genet, 110(8): 1355-62. [4]. Sakuma Y, Liu Q, Dubouzet JG, Abe H, Shinozaki K, Yamaguchi- Shinozaki K (2002). DNA- binding specificity of the ERF/AP2 domain of Arabidopsis DREBs, transcription factiors involved in dehydration- and cold- inducible gene expression. Biochemical and Biophycical Research Communications 290: 998- 1009. [5]. Nguyễn Vũ Thanh Thanh, Hoàng Văn Mạnh, Lê Đức Huấn, Chu Hoàng Mậu (2011). Đặc điểm của gen GmDREB5 phân lập từ bốn giống đậu tương địa phương Việt Nam. Tạp chí Công nghệ sinh học 9(4B): 797-802. [6]. Nucleotide Su bstitutions (x100 ) 0 6.1 246 BG.aa.p ro HE5987 83.aa.p ro HE6476 90.aa.p ro FR822737.aa.p ro LS.aa.pro HE6485 68.aa.p ro HE6485 67.aa.p ro EF583 447.pro Chu Hoàng Mậu và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 97(09): 41 - 47 47 SUMMARY THE DIVERSITY OF GmDREB5 GENE SEQUENCES OF SOME VIETNAM LOCAL CULTIVARS Chu Hoang Mau1*, Nguyen Vu Thanh Thanh1, Vi Thi Xuan Thuy2, Vu Thi Huong3 1 Thai Nguyen University, 2 Tay Bac University, 3 Ha Giang Department of Education and Training DREB proteins, not directly involved in the process of drought-resistance, but it is a factor activation and the expression of genes related to drought tolerance ability, among them have genes involved in root elongation of soybean. In this study, GmDREB5 genes isolated from seven Vietnamese local soybean cultivars, with size 924 bp, encoding 307 amino acids, containing the AP2 region and the DNA binding site, compared with the sequence of the Chinese soybean, code EF583447. Eight soybean cultivars is distributed in two groups, Group I including of four poor drought-resistant cultivars (LBG, HE598783, HE647690, FR822737) and group II including of four of drought tolerant (XLS, HE648568 HE648567, EF583447). The genetic distance based analyse of nucleotide be 3,7% and based on amino acid is a 6,1%. The differences in the nucleotide sequences and the amino acid sequences of GmDREB5 genes of soybean cultivars between group with high drought -tolerance and low drought-tolerant group concerned with how the transcriptional activity of genes related to elongation roots need further research. Key words: Activate transcription, diversity, drought, elongation roots, GmDREB5, local soybeans. Ngày nhận bài: 18/9/ 2012, ngày phản biện: 27/9/2012, ngày duyệt đăng:10/10/ 2012 * Tel: 0913383289; Email: mauchdhtn@gmail.com