Hotline 247
04 6662 6362
 
Hà Nội
0968 378 899
 
Hồ Chí Minh
01289 777 888

Ghi nhớ di truyền học biểu sinh để đáp ứng và thích nghi với điều kiện bất lợi ở thực vật

BioMedia

Bài báo tổng quan, tác giả Tetsu Kinoshita và Motoaki Seki

Không giống như hầu hết các loài động vật, thực vật là loài bất động và vì thế thường xuyên phải đối mặt với các điều kiện bất lợi của môi trường. Qua vài thập kỉ gần đây, hiểu biết của chúng ta về việc làm thế nào thực vật cảm nhận được sự kích thích từ môi trường đã được tăng lên. Ví dụ, các cơ chế dẫn truyền các tác động bất lợi của môi trường tới các con đường tín hiệu tế bào và biểu hiện gen. Hơn nữa, nhiều công bố đã chứng minh rằng thực vật có thể ghi nhớ các sự kiện môi trường trong quá khứ và có thể sử dụng bộ nhớ này để thích nghi khi sự kiện đó diễn ra lần nữa. Trong bài tổng quan ngắn này, nhóm tác giả tập trung vào việc khám phá về các cơ chế di truyền học biểu sinh ở thực vật trong các điều kiện bất lợi của môi trường. Các cơ chế di truyền học biểu sinh đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển sự biểu hiện gen thông qua các ARN nhỏ (small ARNs), biến đổi histone và methyl hóa ADN. Chúng được di truyền thông qua quá trình nguyên phân và trong một số trường hợp, có thể được truyền cho thế hệ sau. Vì thế chúng cung cấp một cơ chế tiềm ẩn cho stress memories (một cơ chế giúp ghi nhớ điều kiện bất lợi) ở thực vật. Các nghiên cứu gần đây có hàng loạt các bằng chứng chỉ ra rằng các cơ chế di truyền học biểu sinh là đặc biệt cần thiết cho stress memories và thích nghi ở thực vật.

Giới thiệu

Thực vật thường xuyên đối mặt với các tác nhân từ môi trường sống như nhiệt độ, ánh sáng, dinh dưỡng và nước. Bên cạnh các điều kiện bất lợi của các nhân tố vô sinh, thực vật cũng phải đối mặt với hàng loạt các tác nhân gây bệnh và côn trùng. Để khắc phục những khó khăn này, thực vật đã phát triển các cơ chế cảm biến công phu, thông qua các con đường tín hiệu và hệ thống phiên mã đối với các yếu tố môi trường. Vì các rối loạn trong môi trường sống có thể lặp lại nhiều lần, do đó thực vật rất cần khả năng ghi nhớ các sự kiện xảy ra trong quá khứ và sử dụng ký ức này để thích nghi với những thử thách mới. Một trong những hệ thống ghi nhớ nổi tiếng nhất là thuật ngữ “luyện tập phản kháng”, cái này kiểm soát sự phản ứng với tác nhân gây bệnh hoặc sự tấn công của các loài động vật ăn cỏ. Trong luyện tập phản kháng, thực vật thể hiện sự phản ứng nhanh hơn và mạnh hơn ở lần tiếp xúc thứ hai với tác nhân gây bệnh hoặc sự tấn công của các loài động vật ăn cỏ so với lần đầu tiên, vì vậy, tăng khả năng sinh tồn. Luyện tập phản kháng cũng được tìm thấy ở rất nhiều đáp ứng với các nhân tố vô sinh như hạn hán (Hình vẽ). Có nhiều các chiến thuật luyện tập đã được tìm ra ở những loài thực vật khác nhau: sự tích lũy của các chất trung gian trong các khoang nội bào, sự biến đổi của các protein điều khiển quan trọng ví dụ sự phospho hóa các protein kinases (MAPKs – mitogen-activated protein kinases); và các cơ chế di truyền học biểu sinh. Trong những năm gần đây, các cơ chế di truyền học biểu sinh điều khiển sự biểu hiện gen của một vài thực vật mô hình đã được mô tả, ví dụ như in dấu hệ gen (genomic imprinting), đáp ứng với sự xuân hóa, chống lại các yếu tố ký sinh và phản ứng lại với các điều kiện bất lợi. Mặc dù các cơ chế phân tử của sự đáp ứng với một kích thích bất lợi là khác nhau trong các quá trình khác nhau, tuy nhiên nhìn chung ghi nhớ stress rất cần thiết để hiểu hơn về vai trò tổng quát của cơ chế di truyền biểu sinh trong việc thích nghi với điều kiện môi trường ở thực vật, và có thể là cả sự tiến hóa về hệ gen của thực vật.

Capture

Hình. Một ví dụ về stress memory ở thực vật. Thực vật có cơ chế kỹ lưỡng đối với stress memory. 

Stress hạn hán

Nước rất quan trọng đối với sự sống và là một phân tử căn bản trong hầu hết các quá trình nội bào, vì thế, nước có ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển và sinh tồn, đặc biệt là ở thực vật. Tầm quan trọng của nước đã được chỉ ra ở Arabidopsis thaliana, trong đó các tín hiệu hạn được hình thành và tác động vào sự biểu hiện gen. Vì sự thay đổi mức độ biểu hiện của gen thường gắn liền với sự thay đổi trong trạng thái của sợi nhiễm sắc, nên sự biến đổi các đuôi histone trong việc đáp ứng lại sự mất nước đã được phân tích trong sợi nhiễm sắc xung quanh các gen phản ứng với điều kiện hạn. Trong điều kiện hạn, sự phiên mã của RD29ARD20 và AtGOLS2 được tích lũy, nhưng khi được cung cấp nước trở lại, lượng phiên mã của các gen này giảm về mức cơ bản. Theo đó, các mức độ biến đổi của quá trình phiên mã, acetyl hóa histone ở vị trí lysin số 9 (H3K9ac – thường liên kết với trạng thái hoạt động của gen) và sự hiện diện của ARN Pol II trong vùng mã hóa của các gen này cũng tăng nhẹ và sau đó giảm đi trong quá trình được cung cấp nước trở lại. Những sự biến đổi của H3K4me3 (methyl hóa 3 lần vị trí lysine số 4 của histone H3) có liên quan tới trạng thái hoạt động của gen, cho thấy điểm đánh dấu trên sợi nhiễm sắc này (epigentic mark) có vai trò quan trọng trong việc ghi nhớ phiên mã cho các gen này, bởi vì chúng được tăng lên trong điều kiện hạn và vẫn duy trì trong suốt quá trình cung cấp nước trở lại (rehydration).

Nghiên cứu của Ding và cs. đã chỉ ra rằng việc liên tục tiếp xúc với các điều kiện khô hạn cho phép cây phản ứng với các stress mới bằng các thay đổi đáp ứng ở mức độ biểu hiện gen nhanh hơn so với các cây chưa bao giờ bị hạn. Trong khi các mức độ tăng cường phiên mã của RD29A và COR15A là như nhau trong các thí nghiệm stress khác nhau, thì bản phiên mã của RD29B và RAB18 vẫn tiếp tục được tích lũy một cách đều đặn, nghĩa là, các mức độ tích lũy phiên mã là cao hơn so với thí nghiệm stress trước. Sự biến đổi cấp tiến của biểu hiện gen và tích lũy phiên mã có thể là hệ quả của sự tăng cường cấp tiến của H3K4me3 và Ser5P của ARN pol II trong quá trình phục hồi sau khi mất nước (dehydration). Mặc dù sự phiên mã gen giảm xuống mức cơ bản có thể quan sát thấy ở các cây không bị stress, nhưng tần suất cao của H3K4me3 và sự chiếm hữu của ARN Pol II (Ser5P) đã duy trì và có thể vì vậy mà hoạt động như là ghi nhớ stress.

Các protein Polycomb Repressive Component 2 (PRC2) và Trithorax Group (TrxG) được biết đến như là ức chế và hoạt hóa sự phiên mã của gen theo phương thức di truyền học biểu sinh; tương tác của chúng với sợi nhiễm sắc của gen FLOWERING LOCUS C (FLC) đóng vai trò quan trọng trong ghi nhớ về quá trình nhiệt độ thấp của mùa đông, điều quyết định sự xuân hóa. Tuy nhiên, các hoạt động của các protein CURLY LEAF (CLF), một thành phần có chứa vùng SET của PRC2, và ARABIDOPSIS TRITHORAX-LIKE PROTEIN 1 (ATX1), một thành phần cần thiết cho hoạt hóa gen, không thể giải thích đầy đủ về ghi nhớ phiên mã. Những khác biệt về methyl hóa ADN trên toàn bộ hệ gen cũng đã được nghiên cứu để làm rõ vai trò của chúng trong ghi nhớ stress hạn; tuy nhiên, không có mối liên quan nào giữa mức độ biểu hiện gen và mức độ methyl hóa ADN ở A. thaliana.

Độ ẩm thấp

Sự mất nước thông qua khí khổng là một khía cạnh quan trọng của các quá trình thu nhận và hấp thu dinh dưỡng từ đất, cũng như đối với hô hấp và quang hợp. Điều kiện độ ẩm thấp vì vậy cũng gây ra stress đối với thực vật. Sự phát triển của khí khổng được điều khiển bởi một mạng lưới di truyền học kết hợp với các biến đổi từ môi trường như là cường độ ánh sáng và nồng độ CO2. Các nhân tố phiên mã cơ bản helix–loop–helix (bHLH) liên quan đến các con đường quyết định số phận biến các tế bào biểu bì lá thành các tế bào bảo vệ; một trong số các nhân tố phiên mã này là FAMA được điều khiển bởi PRC2. Các nghiên cứu mới đây ở A. thaliana đã chỉ ra rằng chỉ số khí khổng (stomatal index– SI là tỷ lệ của stomata so với các tế bào biểu bì khác) được kiểm soát trong quá trình phát triển bởi các mức độ của độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối thấp gây ra sự tích lũy của các siRNA. siRNA tương tác với FAMA và vị trí SPEECHLESS (SPCH) mã hóa cho nhân tố phiên mã bHLH được yêu cầu cho sự phát triển của khí khổng. Trong điều kiện độ ẩm thấp, các cây hoang dại và cây đột biến cmt3 (chromomethyltransferase) bị giảm trọng lượng khô; nhưng ngược lại, các cây đột biến 2 gen vùng tái sắp xếp methyltransferase 1 và 2 (drm1/ 2) hoặc cây đột biến methyltransferase1 (met1) lại chịu đựng được điều kiện độ ẩm thấp. Các cây đột biến gen dicer-like 3 (dcl3) hoặc ARN dependent ARN polymerase 6 (rdr6) có SI cao hơn cây hoang dại trong điều kiện độ ẩm thấp, điều này chỉ ra rằng con đường RNA-directed DNA methylation (RdDM) góp phần vào hiện tượng này. Hãy chú ý là các cơ chế của RdDM và di truyền học biểu sinh đã được mô tả ở nhiều bài báo xuất sắc khác (ví dụ Matzke and Mosher 2014). Các biến đổi trong trạng thái methyl hóa ADN trong cùng một loci ở thực vật có thể được di truyền qua rất nhiều thế hệ. Thú vị là, một hiệu ứng xuyên thế hệ của stress độ ẩm thấp đã được chỉ ra đối với kiểu hình SI; hiệu ứng này được biểu hiện cho ít nhất 1 thế hệ bằng sự thay đổi trạng thái methyl hóa ADN ở nhiều vị trí của SPCH và vị trí nhân tố phiên mã FAMA bHLH. Vì tất các các vị trí đã kiểm tra trùng với đích của siRNA của locus, câu hỏi tiếp theo là làm thế nào trạng thái methyl hóa ADN này được bảo vệ khỏi sự tái lập trình trên toàn bộ hệ gen trong suốt quá trình sinh sản? Theo đó cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để hiểu một cách đầy đủ về hiệu ứng xuyên thế hệ trong đáp ứng với điều kiện độ ẩm thấp.

Stress nhiệt

Vì biến đổi khí hậu sẽ có ảnh hưởng tới sự phát triển của thực vật và sản lượng, các cơ chế của đáp ứng với stress nhiệt độ cao đã gây được nhiều sự chú ý. Gần đây, sự chuyển vị của retrotransposon ONSEN ở A. thaliana đang được báo cáo là tham gia vào cơ chế di truyền học biểu sinh. ONSEN là một retrotransposon kiểu long terminal repeat (LTR)-copia, được kích hoạt biểu hiện trong điều kiện nhiệt. ONSEN loci được phiên mã ngược như là extrachromosomal DNA và sau đó tích hợp vào hệ gen của vật chủ. Sự chuyển vị của ONSEN diễn ra một cách thường xuyên hơn trong thế hệ con cháu của các thể đột biến trong cơ chế RdDM khi được tiếp xúc với điều kiện nhiệt 37oC trong 24h. Điều này chỉ ra rằng bộ máy RdDM đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn cản sự di truyền xuyên thế hệ của các gen nhảy ở sinh vật này. Gen nhảy retrotransposon ONSEN có nhân tố chịu nhiệt (heat shock element HSE) bên trong vùng promoter có thể gắn với các nhân tố phiên mã chịu nhiệt và kích hoạt retrotransposon được phiên mã trong điều kiện stress nhiệt.

Mới đây, một trong những con đường di truyền học biểu sinh phản ứng với điều kiện stress nhiệt đã được làm sáng tỏ. Trong con đường này, một ARN không mã hóa, tiền chất trans-acting siRNA (TAS1) được chuyển hóa thành ARN sợi đôi bởi RDR6 dưới sự hướng dẫn của miR173; lần lượt, ARN sợi đôi này được chuyển hóa thành từng đoạn 21 nucleotide trans-acting small interfering RNAs (ta-siRNAs) bởi enzyme DICER-LIKE 4 (DCL4) RNase III. Các ARN can thiệp kích thước nhỏ được chuyển hóa từ TAS1 được tăng lên bởi nhiệt và gắn vào gen HEATINDUCED TAS1 TARGET (HTT), sau đó tạo ra tính trạng chịu nhiệt ở cây thông qua hoạt động của phức protein HSP70. Các nhân tố phiên mã HsfA1 gắn trực tiếp vào HSE trong vùng promoter HTT và sau đó tăng cường tính chịu nhiệt. Thú vị hơn nữa, bộ máy ARN nhỏ ức chế một cách thuận nghịch các đích của Hsf1A, các gen HTT và ONSEN retrotransposons, dưới các điều kiện nhiệt độ môi trường. Các ARN nhỏ và các nhân tố phiên mã Hsf1A có thể căn chỉnh sự phản ứng với điều kiện nhiệt bằng cách kiểm soát sự phiên mã của các gen đích. Thay vì vậy, con đường ARN nhỏ có thể phục vụ như là một cơ chế ghi nhớ stress, như là trong trường hợp lặp lại nhiều lần điều kiện hạn. Sự tích lũy H3K4me và sự tập trung của ARN pol II trên gen RD29B và RAB18 đã được quan sát thấy trong quá trình cung cấp nước trở lại và phục hồi sau khi bị hạn. Trong bối cảnh này, các nguồn gốc sinh học hoặc sự tích lũy của ARN nhỏ mà đích HTT hoặc ONSEN có thể bị trì hoãn trong quá trình phục hồi sau stress nhiệt.

Hệ miễn dịch thực vật

Các cơ chế luyện tập phản kháng ở thực vật đã được nghiên cứu trong rất nhiều thập kỉ. Ví dụ như cây thuốc lá, tích lũy nicotine trong không bào sau khi bị côn trùng tấn công hoặc sau khi tiếp xúc với acid jasmonic. Độc tính của nicotine bảo vệ thực vật khỏi sự tấn công của côn trùng và sau đó, hoạt động như là ghi nhớ stress. Trong rất nhiều trường hợp, sự luyện tập làm tăng quá trình phản kháng nhanh và mạnh ở thực vật bằng cách tăng cường các cơ chế sinh học phân tử liên quan tới hệ miễn dịch thực vật. Xử lí tiền thực vật với acid salicylic hoặc chất hóa học tổng hợp tượng tự cũng làm tăng sự biểu hiện của một vài nhân tố phiên mã WRKY trong sự phản ứng với một stress sau này. Sự “luyện tập gen” này cũng liên kết với các biến đổi histone, acetyl hóa H3 và H4 và H3K4me3. Rất nhiều các nhóm nghiên cứu đã dự đoán vai trò quan trọng của các cơ chế di truyền học biểu sinh trong hệ miễn dịch của thực vật, và các báo cáo chỉ ra sự tăng cường miễn dịch trong các thể đột biến ago4 hoặc RdDM đã củng cố ý tưởng này. Một quan sát quan trọng là các cây bị khiếm khuyết METHYLTRANSFERASE 1 (MET1) hoặc các thể mang đột biến trong quá trình hình thành triple methyl hóa, drm1, drm2 và cmt3 (ddc), cho thấy tăng cường tính chống chịu với sự lây nhiễm vi khuẩn Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000. Phân tích toàn bộ hệ gen cũng chỉ ra các thay đổi trong kiểu methyl hóa ADN, gọi là các vùng methyl hóa một cách khác biệt (ifferentially methylated regions – DMRs) đáp ứng lại sự tấn công của các nhân tố gây bệnh. Các DMRs được xác định có ảnh hưởng tới sự biểu hiện gen một cách đáng kể. Vì vậy, sự tăng cường tính kháng có thể được giải thích bằng sự giải phóng khỏi trạng thái im lặng của các gen liên quan đến tác nhân gây bệnh, cái được tăng lên sau sự nhận biết các protein phản ứng lại kích thích thu nhận từ vi khuẩn không có độc lực hoặc hormone thực vật acid salicylic. Hơn nữa, các gen liên kết với DMRs thường diễn ra dưới các điều kiện stress, cũng tăng cường biểu hiện trong các thể đột biến met1 và ddc. Phân tích trên toàn bộ hệ gen cũng chỉ ra rằng tập hợp của các siRNA biến đổi sau khi xử lý với acid salicylic. Hơn nữa, các siRNA 21 nucleotide liên kết với gen nhảy (transposon) được tăng lên nhưng 24 nucleotide thì không.

Sử dụng một hệ thống chỉ thị, trong đó 1 vùng LTR của AtGP1 gypsy-type retrotransposon được liên kết với b-glucuronidase (GUS), Yu và cs. đã chỉ ra rằng các ứng dụng của flg22 vi khuẩn (các peptides có nguồn gốc flagellin) gây ra sự tăng cường biểu hiện của AtGP1-GUS ở trong các mô mạch. Sự nhận biết flg22 bằng thụ thể nhận biết mô hình FLAGELLIN SENSING 2 đã kích hoạt các kiểu phân tử liên kết với tác nhân gây bệnh, khởi động hệ miễn dịch (hệ miễn dịch kích hoạt bởi mô hình – PTI). Đáp ứng PTI làm tăng sự kích hoạt của các thác MAPK, tạo ra các gốc oxi hóa tự do (ROS) và sự biểu hiện của các gen đáp ứng miễn dịch. Bên cạnh các đáp ứng PTI, flg22 tăng cường sự ức chế của các gen trong bộ máy RdDM và kích hoạt sự biểu hiện của các trình tự im lặng của hệ gen như là ONSEN, EVADE, AtSN1 và 5S rDNA lặp. Các nhân tố bị methyl hóa với tần suất cao sẽ đề methyl hóa tạm thời tại các vị trí CHH (H = A, T hoặc C). Thú vị là, hoạt động của enzyme đề methyl hóa ADN (DNA demethylase) của ROS1 hạn chế sự tăng trưởng của vi khuẩn gây bệnh, và điều này có thể được gây ra bởi sự kích hoạt lấy ROS1 làm trung gian của RESISTANCE METHYLATED GEN 1 (RMG1), là 1 protein liên kết với nucleotide và giàu leucine. Các phân tích này và các nghiên cứu khác nữa đã chỉ ra một cách rõ ràng vai trò của bộ máy RdDM và sự cần thiết đối với các enzyme đề methyl hóa ADN trong đáp ứng miễn dịch ở thực vật.

Kết luận và tầm nhìn

Ngày càng nhiều các bằng chứng chỉ ra các cơ chế di truyền học biểu sinh tham gia vào đáp ứng với các điều kiện bất lợi và ghi nhớ ở thực vật. Các biến đổi methyl hóa ADN ở một vài vùng trong hệ gen có thể di truyền qua rất nhiều thế hệ, ví dụ là sự ảnh hưởng đến gen FWA in dấu của A. thaliana. Vì thế, thật thú vị khi suy đoán rằng rất nhiều các đáp ứng với các điều kiện bất lợi qua các thế hệ được tìm ra có thể là các cơ chế di truyền học biểu sinh. Mặt khác, gần đây người ta cho rằng thực vật có một hệ thống tái lập trình phức tạp đối với các dấu chuẩn di truyền biểu sinh trong suốt quá trình sinh sản hữu tính. Một vài bài tổng quan xuất sắc đã chỉ rằng các phân tích chi tiết hơn vẫn cần thiết để cung cấp bằng chứng quan trọng nhằm chấp nhận thực tế về sự thích nghi dựa trên di truyền học biểu sinh xuyên thế hệ ở thực vật và động vật. Mặc dù nhóm tác giả tập trung vào các nghiên cứu trên A. thaliana trong bài tổng quan này, nhưng người ta cũng đã biết rõ rằng nhiều loài mang một tập hợp nhỏ các vật chất chuyển vị (gen nhảy), cái mà hầu như bị giới hạn trong vùng pericentromeric của hệ gen. Cơ chế RdDM, cùng với các cơ chế khác để duy trì methyl hóa ADN, hầu hết tác động vào các nhân tố lặp lại và làm bất hoạt các nhân tố đó. Có thể là các cơ chế di truyền học biểu sinh đóng vai trò linh động hơn đối với các giống cây trồng, thứ mà có các tập hợp các yếu tố lặp đi lặp lại lớn hơn ngay cả trong các vùng euchromatin chứa nhiều gen. Hơn nữa, các thể đột biến của các enzyme DNA methyltransferases và DNA demethylase ở lúa cho thấy các khiếm khuyết nghiêm trọng hơn so với các thể đột biến tương đương ở A. thaliana. Các nghiên cứu tiếp sau sử dụng các cây trồng sẽ cung cấp một cách chắc chắn hơn về tương các hiểu biết sâu sắc trong ghi nhớ stress và thích nghi trên cơ sở di truyền học biểu sinh ở thực vật.

Tài liệu tham khảo:

Kinoshita T. and Seki M. (2014), “Epigenetic Memory for Stress Response and Adaptation in Plants”, Plant Cell Physiol., 55(11), pp. 1859–1863. Xem tại đây

Dịch giả Nguyễn Mai Hương

Tổng hợp và hiệu chỉnh BioMedia VN

Các bài viết cùng chủ đề

Ghi nhớ di truyền học biểu sinh để đáp ứng và thích nghi với điều kiện bất lợi ở thực vật

Bài báo tổng quan, tác giả Tetsu Kinoshita và Motoaki Seki Không giống như hầu hết các loài động vật, thực vật là loài bất động và...

Nuôi cấy mô tế bào thực vật

1. Nuôi cấy mô tế bào thực vật là gì? Nuôi cấy mô tế bào thực vật là tổng hợp những kỹ thuật được sử...