Xác định và phân tích các gen mã hóa HSP70 ở cây sắn (Manihot esculanta) bằng phương pháp tin sinh học

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xác định và phân tích các gen mã hóa HSP70 ở cây sắn (Manihot esculanta) bằng phương pháp tin sinh học trình bày xác định và phân tích đặc điểm của các gene Hsp70 bằng các phương pháp tin sinh học ở cây sắn, loại cây lương thực lấy củ nhiệt đới quan trọng. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên cứu về chọn tạo giống loại cây lương thực có giá trị này cũng như tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về chức năng của họ Hsp70.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Xác định và phân tích các gen mã hóa HSP70 ở cây sắn (Manihot esculanta) bằng phương pháp tin sinh học

BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM - HỘI NGHỊ KHOA HỌC QUỐC GIA LẦN THỨ 5 DOI: 10.15625/vap.2022.0098 XÁC ĐỊNH VÀ PHÂN TÍCH CÁC GEN MÃ HÓA HSP70 Ở CÂY SẮN (Manihot esculanta) BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIN SINH HỌC Đồng Thị Xiêm1,2, Nguyễn Thị Oanh1, Trần Thị Thanh Huyền3, Trần Thị Mai Lan2, Lê Thị Mận2, Nông Thị Thu Huyền4, Cao Phi Bằng2,* Tóm tắt. Họ gene Hsp70 có vai trò quan trọng trong sự phát triển cũng như tính chống chịu của thực vật. Tổng số có 22 gene mã hóa Hsp70 được xác định trong hệ gene của cây sắn bằng các phương pháp tin sinh học. Các MeHsp70 của cây sắn có kích thước từ 1719 tới 12265 bp. Ngoại trừ bốn gene MeHsp70-14, MeHsp70-18, MeHsp70-19 và MeHsp70-21, các gene còn lại đều phân mảnh với số lượng intron từ 1 đến 12. Các protein MeHsp70 có chiều dài từ 572 đến 894 amino acid, khối lượng từ 61,97 đến 99,39 kDa, có tính acid và có ái lực với nước (ngoại trừ MeHsp70-21). Dựa trên phân tích cây phát sinh chủng loại, các Hsp70 của cây sắn được xếp vào năm nhóm. Sự biểu hiện của các gene MeHsp70 không giống nhau ở các điều kiện stress lạnh khác nhau. Có 21 gene MeHsp70 thay đổi mức độ biểu hiện (12 gene biểu hiện tăng, 9 gene biểu hiện giảm) trong điều kiện sốc lạnh so với đối chứng. 18 gene thay đổi mức độ biểu hiện (11 gene biểu hiện tăng, 7 gene biểu hiện giảm) trong điều kiện rèn luyện lạnh. Tương tự, 17 gene thay đổi mức độ biểu hiện (10 gene biểu hiện tăng, 7 gene biểu hiện giảm) trong điều kiện sốc lạnh sau rèn luyện. Gene MeHsp70-20 không thay đổi mức độ biểu hiện ở tất cả các điều kiện stress lạnh so với đối chứng. Phân tích in silico họ gene Hsp70 là cơ sở cho các nghiên cứu sâu hơn về tách dòng gene và phân tích chức năng của các gene trong họ Hsp70 ở cây sắn. Từ khóa: Biểu hiện gene, cây phát sinh chủng loại, cây sắn (Manihot esculanta), protein sốc nhiệt 70 (Hsp70), tin sinh học. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sắn (Manihot esculanta) là cây lương thực lấy củ rất quan trọng đối với hơn tám trăm triệu người trên thế giới (Ceballos et al., 2020). Đồng thời, sắn cũng là nguyên liệu sản xuất nhiên liệu sinh học quan trọng hiện nay (Fathima et al., 2022). Có nguồn gốc từ vùng Amazone, hiện nay cây sắn được trồng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt ở các vùng nhiệt đới, khí hậu khô, thậm chí nghèo dinh dưỡng ở châu Phi, châu Á,… trong đó có Việt Nam (Fathima et al., 2022; Otun et al., 2022). Vì vậy, cây sắn thường xuyên đối mặt với nhiều tác nhân bất lợi của môi trường như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, hạn, mặn,… và cả tác nhân gây bệnh. Vì vậy, các nghiên cứu để nâng cao năng suất, chất lượng và khả năng chống chịu với tác nhân bất lợi của cây sắn rất được chú trọng (Fathima et al., 1 Trường THPT Trần Nhật Duật, Yên Bái 2 Trường Đại học Hùng Vương 3 Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 4 Trường THPT thành phố Cao Bằng, Cao Bằng * Email: phibang.cao@hvu.edu.vn
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 875 2022). Hệ gene của cây sắn được giải trình tự đã cung cấp một tài nguyên quan trọng đối với nghiên cứu ở mức phân tử ở loài cây này (Bredeson et al., 2016; Lyons et al., 2022). Các protein sốc nhiệt (Hsp) là một nhóm các protein được sinh tổng hợp khi có sốc nhiệt, được tìm thấy hầu hết trong tất cả các sinh vật: Từ vi khuẩn đến thực vật, động vật và con người (Al-Whaibi, 2011). Ở thực vật, các thành viên trong các họ gene Hsp đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển, cũng như đáp ứng các điều kiện môi trường bất lợi khác nhau như nhiệt độ thấp và nhiệt độ cao, hạn, mặn (Al-Whaibi, 2011) và sinh vật gây bệnh (Berka et al., 2022; Park and Seo, 2015). Căn cứ vào khối lượng phân tử, các Hsp được chia thành các nhóm: Protein sốc nhiệt phân tử nhỏ (sHsp), protein sốc nhiệt 60 (Hsp60), protein sốc nhiệt 70 (Hsp70), protein sốc nhiệt 90 (Hsp90) và protein sốc nhiệt 100 (Hsp100) (Al-Whaibi, 2011). Trong số này, các Hsp70 rất được quan tâm vì nó có nhiều vai trò đối với quá trình phát triển và sự chống chịu của cây trước nhiều tác nhân bất lợi khác nhau (Berka et al., 2022; Usman et al., 2017). Hơn nữa, nhiều nghiên cứu gần đây chỉ ra các protein sốc nhiệt HSP70 còn có chức năng điều khiển sự phát triển ở thực vật (Chen et al., 2019; Su et al., 2019). Trên quy mô hệ gene, họ gene Hsp70 đã được xác định và phân tích ở rất nhiều loài thực vật khác nhau, như Arabidopsis thaliana (18 gene) (Lin et al., 2001; Sung et al., 2001), lúa (Oryza sativa) (26 gene) (Jung et al., 2013), cải bắp (Brassica oleracea var. capitata) (52 gene) (Su et al., 2019), đậu xanh (Vigna radiata) (32 gene) (Jasrotia et al., 2019), bí đỏ (Cucurbita moschata) (21 gene) (Davoudi et al., 2022), đu đủ (Carica papaya) (12 gene) (Le et al., 2022). Tuy nhiên, họ gene Hsp70 chưa được nghiên cứu ở cây sắn. Nghiên cứu này hướng tới mục tiêu xác định và phân tích đặc điểm của các gene Hsp70 bằng các phương pháp tin sinh học ở cây sắn, loại cây lương thực lấy củ nhiệt đới quan trọng. Kết quả nghiên cứu là tiền đề cho các nghiên cứu về chọn tạo giống loại cây lương thực có giá trị này cũng như tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn về chức năng của họ Hsp70. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cơ sở dữ liệu Hệ gene của cây sắn (Manihot esculanta L.) đã được giải trình tự (Bredeson et al., 2016) và được đặt trên server phytozome (https://phytozome-next.jgi.doe.gov/). Dữ liệu RNA-seq được khai thác từ cơ sở dữ liệu Gene Expression Omnibus, NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/geo/) của lá và rễ cây sắn được xử lí stress lạnh ở các điều kiện khác nhau: sốc lạnh (nhiệt độ giảm từ 25 oC xuống 4 oC với tốc độ giảm 4 oC/h), rèn luyện lạnh (nhiệt độ giảm từ 25 oC xuống 14 oC với tốc độ giảm 2 oC/h), stress lạnh sau rèn luyện (cây được luyện lạnh 5 ngày ở 14 oC sau đó chuyển sang phòng nuôi 4 oC), đối chứng là cây được nuôi ở 24 oC (Zeng et al., 2014) 2.2. Xác định các gene Hsp70 ở cây sắn Chương trình TBLASTN (Gertz et al., 2006) được sử dụng để tìm kiếm các gene tương đồng trên toàn hệ gene của cây sắn, các protein Hsp70 của cây A. thaliana (Lin et al., 2001; Sung et al., 2001) được sử dụng làm khuôn dò.
876 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM 2.3. Phân tích in silico các Hsp70 của cây sắn Cấu trúc intron-exon của các gene được xây dựng bằng công cụ Gene structure display server v2 (GSDS) (Hu et al., 2015). Các đặc điểm vật lí, hóa học của các protein MeHsp70 được phân tích bằng công cụ ProtParam trên server ExPASy (Expert Protein Analysis System) (Gasteiger et al., 2005). Vị trí khu trú của protein trong tế bào được phân tích nhờ Yl oC (Briesemeister et al., 2010). 2.4. Xây dựng cây phát sinh chủng loại Các protein Hsp70 của cây sắn, A. thaliana (Lin et al., 2001; Sung et al., 2001), cây đu đủ (Le et al., 2022) được sắp dãy bằng MAFFT (Katoh and Standley, 2013), cây phát sinh chủng loại được xây dựng bằng nhờ phần mềm MEGA11 (Tamura et al. 2021). 2.5. Phân tích sự biểu hiện gene Sự biểu hiện của các gene được xác định qua phân tích dữ liệu RNA-seq trong ngân hàng Gene Expression Omnibus của hỗn hợp lá và rễ cây sắn được xử lí stress lạnh (GSE52178) gồm: Sốc lạnh (CS: xử lí nhiệt độ giảm đột ngột từ 24 oC xuống 4 oC với tốc độ 4 oC/h), rèn luyện lạnh (CA: xử lí nhiệt độ giảm từ 24 oC xuống 14 oC với tốc độ 2 oC/h) và stress lạnh sau rèn luyện (CCA: xử lí nhiệt độ giảm từ 24 oC xuống 14 oC với tốc độ 2 o C/h, giữ 5 ngày ở 14 oC sau đó giảm nhiệt độ xuống 4 oC), đối chứng (C) là cây được trồng ở 24 oC (Zeng et al., 2014). Mức độ biểu hiện tương đối của các gene được tính bằng tỉ lệ giá trị biểu hiện ở điều kiện stress lạnh so với giá trị biểu hiện của gene đó ở điều kiện đối chứng. Các tỉ lệ này được chuyển thành giá trị log cơ số 2 để xây dựng bản đồ nhiệt. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xác định họ gene Hsp70 trên quy mô hệ gene của cây sắn Bảng 1. Các trình tự Hsp70 ở cây sắn Chiều Chiều dài dài MW Tên gene Tên locus pI AI GRAVY SL gene protein (kDa) (bp) (aa) MeHsp70-01 Manes.01G053300 3280 664 73,31 5,13 88,1 -0,42 ER MeHsp70-02 Manes.02G006000 3095 664 73,32 5,14 87,2 -0,46 ER MeHsp70-03 Manes.03G128900 6472 761 84,50 5,38 81,4 -0,39 C MeHsp70-04 Manes.04G123400 4000 849 93,88 5,25 77,4 -0,43 C MeHsp70-05 Manes.07G024700 3574 702 75,27 5,20 84,6 -0,34 Cp MeHsp70-06 Manes.07G046700 3396 680 73,22 5,57 85,5 -0,33 M MeHsp70-07 Manes.07G114100 2893 587 64,95 5,13 83,4 -0,37 C MeHsp70-08 Manes.07G114200 2459 648 71,11 5,16 82,8 -0,41 C MeHsp70-09 Manes.07G114800 2780 648 71,08 5,13 83,3 -0,40 C MeHsp70-10 Manes.08G139371 2630 647 70,97 5,17 82,8 -0,41 C MeHsp70-11 Manes.08G118700 2860 660 73,14 5,28 88,5 -0,46 ER MeHsp70-12 Manes.09G073400 12265 894 99,39 5,29 86,1 -0,46 ER
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 877 Chiều Chiều dài dài MW Tên gene Tên locus pI AI GRAVY SL gene protein (kDa) (bp) (aa) MeHsp70-13 Manes.10G031400 2450 649 71,26 5,14 83,0 -0,41 C MeHsp70-14 Manes.10G032000 2508 648 71,16 5,10 83,2 -0,41 C MeHsp70-15 Manes.10G094100 3668 680 73,27 5,57 87,1 -0,33 M MeHsp70-16 Manes.10G117300 3486 704 75,38 5,24 85,6 -0,34 Cp MeHsp70-17 Manes.11G047600 3822 850 93,78 5,32 78,7 -0,42 C MeHsp70-18 Manes.11G067500 1968 655 71,88 5,26 81,9 -0,44 C MeHsp70-19 Manes.11G067600 1968 655 71,80 5,30 82,5 -0,44 C MeHsp70-20 Manes.14G143500 1950 649 71,26 5,27 83,4 -0,43 C MeHsp70-21 Manes.15G028300 1719 572 61,97 5,50 96,8 0,01 C MeHsp70-22 Manes.15G072300 5558 773 86,55 5,53 80,5 -0,40 C Ghi chú: MW: Khối lượng phân tử, pI: Điểm đẳng điện, AI: Chỉ số béo, GRAVY: Chỉ số ưa nước trung bình, SL: Vị trí khu trú trong tế bào, C: Tế bào chất, Cp: Lục lạp, ER: Lưới nội chất, M: Ti thể. Tổng số 22 gene có thể mã hóa cho các Hsp70 được xác định trong hệ gene của cây sắn (Bảng 1). Kiểm tra Pfam (Finn et al., 2014) các protein suy diễn chỉ ra tất cả các MeHsp70 có chứa vùng bảo tồn Hsp70 (PF00012) điển hình của họ protein này. Với 22 gene, họ gene Hsp70 của cây sắn lớn hơn họ gen này ở cây A. thaliana (18 gene) (Lin et al., 2001; Sung et al., 2001), bí đỏ (Cucurbita moschata) (21 gene) (Davoudi et al., 2022) và đu đủ (Carica papaya) (12 gene) (Le et al., 2022) nhưng bé hơn ở cây lúa (Oryza sativa) (26 gene) (Jung et al., 2013), đậu xanh (Vigna radiata) (32 gene) (Jasrotia et al., 2019) và cải bắp (Brassica oleracea var. capitata) (52 gene) (Su et al., 2019). 3.2. Phân tích các đặc điểm cấu trúc gene, đặc điểm protein của họ Hsp70 ở cây sắn Hình 1. Cấu trúc intron-exon của các MeHsp70
878 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Các gene Hsp70 của cây sắn có độ dài trình tự nucleotide từ 1719 tới 12265 cặp nucleotide (Bảng 1). Ngoại trừ bốn gene MeHsp70-18, MeHsp70-19, MeHsp70-20 và MeHsp70-21, các gene còn lại đều phân mảnh với số lượng intron dao động từ 1 đến 12 (Hình 1). Đặc điểm cấu trúc các gene Hsp70 ở cây sắn có điểm tương đồng với ở nhiều loài khác, tiêu biểu như cây đu đủ (Le et al., 2022). Các protein suy diễn có độ dài từ 572 tới 894 amino acid, khối lượng phân tử nằm trong khoảng 61,97 kDa tới 99,39 kDa. Giá trị điểm đẳng điện (pI) lí thuyết của các MeHsp70 dao động từ 5,10 tới 5,57 (Bảng 1). Điều này chứng tỏ các MeHsp70 giàu các amino acid có tính acid. Các đặc điểm này khá tương đồng với đặc điểm của các Hsp70 của cây A. thaliana (Lin et al., 2001; Sung et al., 2001) và cây đu đủ (Le et al., 2022) Kết quả phân tích vị trí khu trú trong tế bào cho thấy, có 14 trong tổng số 22 Hsp70 của cây sắn nằm ở trong tế bào chất. Hai protein (MeHsp70-5 và MeHsp70-16) nằm ở lục lạp, hai protein (MeHsp70-6 và MeHsp70-15) ở ti tể và bốn protein (MeHsp70-01, MeHsp70-02, MeHsp70-11 và MeHsp70-12) ở lưới nội chất. Kết quả nghiên cứu này tương đồng với kết quả nghiên cứu ở cây A. thaliana và cây đu đủ khi có phần lớn các Hsp70 khu trú trong tế bào chất và một số lượng nhỏ khu trú ở các bào quan lục lạp, ti thể và lưới nội chất (Le et al., 2022; Lin et al., 2001) 3.3. Phân tích cây phát sinh chủng loại và phân loại các MeHsp70 Hình 2. Cây phát sinh chủng loại được xây dựng từ các Hsp70 của cây sắn, A. thaliana và đu đủ
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 879 Cây phát sinh chủng loại cho thấy các Hsp70 của cây sắn được sắp xếp vào 5 nhóm cùng với các Hsp70 của cây A.thaliana và cây đu đủ. Trong đó, nhóm 1 (màu hồng) có 9 MeHsp70, nhóm 2 (màu cam) có 3 MeHsp70, nhóm 3 (màu xanh và màu đỏ) có 4 MeHsp70, nhóm 4 (màu tím) chỉ có 1 thành viên (MeHsp70-21) và nhóm 5 có 5 MeHsp70. Nhóm 1 là tập hợp các MeHsp70 khu trú trong tế bào chất. MeHsp70 nhóm 2 khu trú trong lưới nội chất, nhóm 3 khu trú trong lục lạp (màu xanh) và trong ti thể (màu đỏ), nhóm 4 khu trú trong lưới nội chất và nhóm 5 khu trú trong tế bào chất. Các Hsp70 của cây A. thaliana và cây đu đủ cũng xếp thành 5 nhóm. Kết quả này khác với ở cây lúa, các Hsp70 xếp thành 6 nhóm. Cây phát sinh chủng loại cũng cho phép phát hiện một số hiện tượng nhân lặp gene ở cây sắn hình thành nên các gene tương đồng (nhóm 4 gene MeHsp70-07, MeHsp70-08, MeHsp70-09 và MeHsp70-13, các nhóm 2 gene MeHsp70-01 và MeHsp70-02, MeHsp70- 05 và MeHsp70-16, MeHsp70-06 và MeHsp70-15, MeHsp70-03 và MeHsp70-22, MeHsp70-04 và MeHsp70-17). Hiện tượng nhân lặp gene Hsp70 cũng đã được phát hiện ở cây A. thaliana và cây đu đủ (Le et al., 2022; Lin et al., 2001). Đặc biệt, ở cây cải bắp đã phát hiện 1 hiện tượng nhân lặp gene trước sau và có tới 25 hiện tượng nhân lặp gene do lặp đoạn (Su et al., 2019). 3.4. Phân tích mức độ biểu hiện gene Hsp70 ở cây sắn Mức độ biểu hiện tương đối của các gene MeHsp70 trong điều kiện stress lạnh được thể hiện trong hình 5. Kết quả nghiên cứu cho thấy có 12 gene Hsp70 của cây sắn tăng cường biểu hiện trong điều kiện sốc lạnh (MeHsp70-01, MeHsp70-06, MeHsp70- 07, MeHsp70-09, MeHsp70-11, MeHsp70-12, MeHsp70-15, MeHsp70-17, MeHsp70-18 và MeHsp70-21), trong đó mức độ biểu hiện tăng cao nhất gặp ở gene MeHsp70-07. Gene MeHsp70-20 không thay đổi mức độ biểu hiện so với đối chứng. Chín gene còn lại giảm biểu hiện ở điều kiện sốc lạnh. Tương tự, các gene tăng cường biểu hiện ở điều kiện sốc lạnh cũng tăng cường biểu hiện ở điều kiện rèn luyện lạnh, ngoại trừ gene MeHsp70-09), trong đó mức độ biểu hiện tăng cao nhất gặp ở gene MeHsp70-17. Ba gene MeHsp70-09, MeHsp70-19 và MeHsp70-20 không thay đổi mức độ biểu hiện so với đối chứng. Bảy gene còn lại giảm biểu hiện ở điều kiện rèn luyện lạnh. Có 10 gene Hsp70 ở cây sắn tăng cường biểu hiện trong điều kiện sốc lạnh sau rèn luyện so với đối chứng (MeHsp70-06, MeHsp70-07, MeHsp70-08, MeHsp70-09, MeHsp70-11, MeHsp70-12, MeHsp70-15, MeHsp70-17, và MeHsp70-21) ), trong đó mức độ biểu hiện tăng cao nhất gặp ở gene MeHsp70-11. Năm gene (MeHsp70-02, MeHsp70-03, MeHsp70-04, MeHsp70-10 và MeHsp70-20) không thay đổi mức độ biểu hiện so với đối chứng. Bảy gene còn lại giảm biểu hiện ở điều kiện rèn luyện lạnh. Như vậy, có bảy gene luôn biểu hiện tăng cường trong điều kiện stress lạnh so với đối chứng (MeHsp70- 06, MeHsp70-07, MeHsp70-11, MeHsp70-12, MeHsp70-15, MeHsp70-17, và MeHsp70- 21). Đặc biệt, hai gene MeHsp70-08 và MeHsp70-13 biểu hiện giảm trong điều kiện sốc lạnh và rèn luyện lạnh nhưng lại biểu hiện tăng khi ở điều kiện sốc lạnh sau rèn luyện. Sự biểu hiện khác nhau của các gene MeHsp70 cho thấy chúng có chức năng khác nhau liên quan đến tính chống chịu điều kiện stress lạnh ở cây sắn. Sự biểu hiện khác nhau của các gene Hsp70 ở điều kiện stress lạnh cũng đã được quan sát ở cây đu đủ (Le et al., 2022), cây A. thaliana (Sung et al., 2001).
880 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Hình 5. Mức độ biểu hiện tương đối của các gene MeHsp70 trong điều kiện stress lạnh. CS: sốc lạnh, CA: rèn luyện lạnh, CCA: sốc lạnh sau rèn luyện 4. KẾT LUẬN Trong hệ gene của cây sắn có tổng số 22 gene mã hóa Hsp70 được xác định. Cấu trúc gene và các đặc điểm lý - hóa của các protein Hsp70 của cây sắn đã được phân tích. Các Hsp70 của cây sắn có chiều dài từ 572 đến 894 amino acid, khối lượng từ 61,97 đến 99,39 kDa. Các protein MeHsp70 có tính acid và có ái lực với nước (ngoại trừ MeHsp70-21). Các Hsp70 của cây sắn được xếp vào năm nhóm. Phân tích GO cho thấy các MeHsp70 có chức năng liên quan đến nhiều quá trình sinh học và chức năng phân tử. Sự biểu hiện của các gene Hsp70 ở hỗn hợp lá và rễ cây sắn trong điều kiện thường và stress lạnh đã được phân tích từ các hệ mã phiên và cho thấy sự biểu hiện khác biệt. Có 21 gene MeHsp70 thay đổi mức độ biểu hiện (12 gene biểu hiện tăng, 9 gene biểu hiện giảm) trong điều kiện sốc lạnh so với đối chứng. Tương tự, lần lượt 11 gene và 10 gene MeHsp70 biểu hiện tăng trong điều kiện luyện lạnh và sốc lạnh sau rèn luyện, 7 gene biểu hiện giảm trong hai điều kiện stress lạnh trên. Gene MeHsp70-20 không thay đổi mức độ biểu hiện ở tất cả các điều kiện stress lạnh so với đối chứng. Phân tích in silico họ gene Hsp70 có ý nghĩa lớn, mở đường cho việc tách dòng gene và phân tích chức năng của các gene trong họ Hsp70 ở cây sắn trong đáp ứng với các điều kiện stress vô sinh khác.
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 881 TÀI LIỆU THAM KHẢO Al-Whaibi, M. H, 2011. Plant heat-shock proteins: a mini review. Journal of King Saud University-Science, 23(2): 139-150. Berka, M., Kopecká, R., Berková, V., Brzobohatý, B., and Černý, M, 2022. Regulation of heat shock proteins 70 and their role in plant immunity. Journal of Experimental Botany, 73(7): 1894-1909. doi:10.1093/jxb/erab549. Bredeson, J. V., Lyons, J. B., Pr oChnik, S. E., Wu, G. A., Ha, C. M., Edsinger-Gonzales, E.,…& Rokhsar, D. S, 2016, Sequencing wild and cultivated cassava and related species reveals extensive interspecific hybridization and genetic diversity. Nat Biotechnol, 34(5): 562-570. doi:10.1038/nbt.3535. Briesemeister, S., Rahnenfuhrer, J., and Kohlbacher, O, 2010. YL oC--an interpretable web server for predicting subcellular l oCalization. Nucleic Acids Res, 38(Web Server issue): W497-502. doi:10.1093/nar/gkq477. Ceballos, H., Rojanaridpiched, C., Phumichai, C., Becerra, L. A., Kittipadakul, P., Iglesias, C., and Gracen, V. E, 2020. Excellence in cassava breeding: perspectives for the future. Crop Breeding, Genetics and Genomics, 2(2): doi:10.20900/cbgg20200008. Chen, X., Shi, L., Chen, Y., Zhu, L., Zhang, D., Xiao, S.,… & Xu, J, 2019. Arabidopsis HSP70-16 is required for flower opening under normal or mild heat stress temperatures. Plant, Cell & Environment, 42(4): 1190-1204. doi:https://doi.org/10.1111/pce.13480. Davoudi, M., Chen, J., and Lou, Q, 2022. Genome-Wide Identification and Expression Analysis of Heat Shock Protein 70 (HSP70) Gene Family in Pumpkin (Cucurbita moschata) Rootst oCk under Drought Stress Suggested the Potential Role of these Chaperones in Stress Tolerance. International Journal of Molecular Sciences, 23(3): 1918. Fathima, A. A., Sanitha, M., Tripathi, L., and Muiruri, S, 2022. Cassava (Manihot esculenta) dual use for food and bioenergy: A review. Food and Energy Security, n/a(n/a), e380: doi:https://doi.org/10.1002/fes3.380. Finn, R. D., Bateman, A., Clements, J., Coggill, P., Eberhardt, R. Y., Eddy, S. R.,…& Punta, M, 2014. Pfam: the protein families database. Nucleic Acids Res, 42(Database issue): D222-230. doi:10.1093/nar/gkt1223. Gasteiger, E., Hoogland, C., Gattiker, A., Wilkins, M. R., Appel, R. D., and Bair oCh, A, 2005. Protein identification and analysis tools on the ExPASy server. In The proteomics prot oCols handbook: 571-607. Springer. Gertz, E. M., Yu, Y. K., Agarwala, R., Schaffer, A. A., and Altschul, S. F, 2006. Composition-based statistics and translated nucleotide searches: improving the TBLASTN module of BLAST. BMC Biol, 4: 41. doi:10.1186/1741-7007-4-41. Hu, B., Jin, J., Guo, A. Y., Zhang, H., Luo, J., and Gao, G, 2015. GSDS 2.0: An upgraded gene feature visualization server. Bioinformatics, 31(8): 1296-1297. doi:10.1093/bioinformatics/btu817.
882 BÁO CÁO KHOA HỌC VỀ NGHIÊN CỨU VÀ GIẢNG DẠY SINH HỌC Ở VIỆT NAM Jasrotia, R. S., Jaiswal, S., Yadav, P. K., Raza, M., Iquebal, M. A., Rai, A., and Kumar, D, 2019. Genome-Wide Analysis of HSP70 Family Protein in Vigna radiata and Coexpression Analysis Under Abiotic and Biotic Stress. Journal of Computational Biology, 27(5): 738-754. doi:10.1089/cmb.2019.0166. Jung, K. H., Gho, H. J., Nguyen, M. X., Kim, S. R., and An, G, 2013. Genome-wide expression analysis of HSP70 family genes in rice and identification of a cytosolic HSP70 gene highly induced under heat stress. Funct Integr Genomics. doi:10.1007/s10142-013-0331-6. Katoh, K., and Standley, D. M, 2013, MAFFT multiple sequence alignment software version 7: improvements in performance and usability. Mol Biol Evol, 30(4): 772-780. doi:10.1093/molbev/mst010. Le, T. M., Tran, T. T. H., Vu, X. Q., Chu, H. D., Pham, T. C., Le, H. T.,…& Cao, P. B, 2022. Genome-Wide Identification and Analysis of Genes Encoding Putative Heat Shock Protein 70 in Papaya (Carica papaya). Pakistan Journal of Biological Sciences, 25(6): 468-475. doi:10.3923/pjbs.2022.468.475. Lin, B. L., Wang, J. S., Liu, H. C., Chen, R. W., Meyer, Y., Barakat, A., and Delseny, M, 2001. Genomic analysis of the Hsp70 superfamily in Arabidopsis thaliana. Cell Stress Chaperones, 6(3): 201-208. doi:10.1379/1466-1268(2001)0062.0.co;2. Lyons, J. B., Bredeson, J. V., Mansfeld, B. N., Bauchet, G. J., Berry, J., Boyher, A.,…& Bart, R. S, 2022. Current status and impending progress for cassava structural genomics. Plant Molecular Biology, 109(3): 177-191. doi:10.1007/s11103-020- 01104-w. Otun, S., Escrich, A., Achilonu, I., Rauwane, M., Lerma-Escalera, J. A., Morones- Ramírez, J. R., and Rios-Solis, L, 2022, The future of cassava in the era of biotechnology in Southern Africa. Critical Reviews in Biotechnology, 1-19. doi:10.1080/07388551.2022.2048791. Park, C. J., and Seo, Y. S, 2015, Heat Shock Proteins: A Review of the Molecular Chaperones for Plant Immunity. Plant Pathol J, 31(4): 323-333. doi:10.5423/ppj.rw.08.2015.0150. Su, H., Xing, M., Liu, X., Fang, Z., Yang, L., Zhuang, M., …& Lv, H, 2019, Genome- wide analysis of HSP70 family genes in cabbage (Brassica oleracea var. capitata) reveals their involvement in floral development. BMC Genomics, 20(1): 369. doi:10.1186/s12864-019-5757-3 Sung, D. Y., Vierling, E., and Guy, C. L, 2001. Comprehensive expression profile analysis of the Arabidopsis Hsp70 gene family. Plant Physiol, 126(2): 789-800. doi:10.1104/pp.126.2.789. Tamura, K., Stecher, G., and Kumar, S, 2021, MEGA11: Molecular Evolutionary Genetics Analysis Version 11. Molecular Biology and Evolution, 38(7): 3022-3027. doi:10.1093/molbev/msab120. Usman, M. G., Rafii, M. Y., Martini, M. Y., Yusuff, O. A., Ismail, M. R., and Miah, G, 2017, Molecular analysis of Hsp70 mechanisms in plants and their function in
PHẦN 2. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SINH HỌC PHỤC VỤ ĐỜI SỐNG VÀ PHÁT TRIỂN XÃ HỘI 883 response to stress. Biotechnology and Genetic Engineering Reviews, 33(1): 26-39. doi:10.1080/02648725.2017.1340546. Zeng, C., Chen, Z., Xia, J., Zhang, K., Chen, X., Zhou, Y., …& Zhang, W, 2014, Chilling acclimation provides immunity to stress by altering regulatory networks and inducing genes with protective functions in Cassava. BMC Plant Biology, 14(1): 207. doi:10.1186/s12870-014-0207-5. IDENTIFICATION AND CHARACTERIZATION OF HSP70 GENES FROM CASSAVA (Manihot esculanta) BY BIOINFORMATIC METHODS Dong Thi Xiem1,2, Nguyen Thi Oanh1, Tran Thi Thanh Huyen3, Tran Thi Mai Lan2, Le Thi Man2, Nong Thi Thu Huyen4, Cao Phi Bang2,* Abstract. The Hsp70 gene family plays a major role in development and tolerance of plants. A total of 22 genes encoding Hsp70 were identified in the cassava genome by bioinformatic methods. The full-length genomic sequences of the MeHsp70s were ranging from 1719 to 12265 nucleotides. Except for MeHsp70-14, MeHsp70-18, MeHsp70-19 and MeHsp70-21, the remaining genes have non continuous coding sequences, with number of introns ranged from one to twelve. The deduced protein sequences included from 572 to 894 amino acids, according to the molecular weight ranged from 61.97 to 99.39 kDa. These proteins were acidic and hydrophobicity, except for MeHsp70-21. Based on the phylogenetic analysis, the MeHsp70 were divided into five groups. Analysis of transcriptomes showed that the MeHsp70 genes differently expressed under different conditions. There were 21 MeHsp70 genes with altered expression levels (12 up-expressed genes, 9 down-expressed genes) under cold stresses compared with controls. Eighteen MeHsp70 genes changed expression levels (11 up-expressed genes, 7 down-expressed genes) in cold acclimatation conditions. Similarly, seventeen genes changed expression levels (10 up-expressed genes, 7 down-expressed genes) in cold shock after acclimatation. MeHsp70-20 did not change expression levels at all cold stress conditions compared with control. In silico analysis of the Hsp70 genes is the basis for further studies on gene cloning and functional analysis of these genes in plants. Keywords: Bioinformatics, cassava (Manihot esculanta), heat shock protein 70 (Hsp70), gene expression, phylogeny. 1 Tran Nhat Duat High School, Yen Bai 2 Hung Vuong University 3 Hanoi National University of Education 4 Cao Bang city High School, Cao Bang * Email: phibang.cao@hvu.edu.vn