Enhancement of starch production in tobacco through transfer of the gene encoding bacterial ADP glucose pyrophosphorylase

Abstract

Ngày nhận bài: 23.9.2015 Ngày nhận đăng: 25.3.2016 TÓM TẮTTinh bột là polysaccaride dự trữ của thực vật, đóng vai trò quan trọng bậc nhất trong chế độ dinh dưỡng của con người cũng như nhiều loài động vật, đồng thời là nguyên liệu thô trong công nghiệp chế biến thực phẩm và công nghiệp vật liệu. Do đó, một trong các hướng nghiên cứu được quan tâm hiện nay là làm tăng hàm lượng tinh bột trong cây trồng trên cơ sở tăng cường hoạt động của một số gen mã hóa các enzyme đóng vai trò quan trọng trong quá trình sinh tổng hợp và tích lũy tinh bột. ADP-Glc pyrophosphorylase (AGPase) đã được chứng minh là enzyme điều hòa quan trọng, điều chỉnh tốc độ phản ứng của toàn bộ chu trình sinh tổng hợp glycogen ở vi khuẩn và tinh bột ở thực vật. Trong nghiên cứu này, gen nhân tạo đã tối ưu mã AGPopt với kích thước 1,5 kb có nguồn gốc từ gen glgC mã hóa cho enzyme AGPase của vi khuẩn E. coli mang đột biến thay thế glycine bằng aspartic acid ở vị trí 393 nhằm giảm ái lực với các chất ức chế đã được nối ghép với vector chuyển gen thực vật và chuyển vào cây mô hình thuốc lá, hoạt động dưới sự điều khiển của promoter 35S. Sự tích hợp của gen AGPopt vào genome thực vật được khẳng định bằng kỹ thuật PCR và Southern blot, đồng thời phương pháp lai Western blot đã phát hiện sự biểu hiện của AGPase trong các dòng thuốc lá chuyển gen . Đặc biệt, phép đo hàm lượng tinh bột tích lũy trong lá ở 7 dòng chuyển gen cho thấy có 5 dòng chứa lượng tinh bột trong lá cao hơn dòng đối chứng không chuyển gen, trong đó 1 dòng có mức tăng cao nhất là 56%, 4 dòng còn lại có mức tăng từ 18%-44%. Những bằng chứng này bước đầu cho thấy việc biểu hiện gen AGPopt là một chiến lược hiệu quả giúp tăng cường quá trình sinh tổng hợp tinh bột ở thực vật.Từ khóa: ADP-Glc pyrophosphorylase, gen glgC, sinh tổng hợp tinh bột, thuốc lá biến đổi gen MỞ ĐẦU Tinh bột là dạng dự trữ carbon quan trọng nhất ở các sinh vật nhân chuẩn quang hợp hoặc một số loài phát sinh không có khả năng quang hợp như ký sinh trùng ngành Apicomplexa và nhóm tảo đơn bào hai roi (Ball & Morell, 2003). Về cấu tạo, tinh bột là một glucose polymer gồm các đơn phân α-glucan nối với nhau bằng liên kết α-1,4 và phân nhánh ở các vị trí liên kết α-1, 6 (Ball et al., 1996). Ở thực vật bậc cao, tinh bột được tổng hợp trong lạp thể (plastid) của cả các tế bào quang hợp và không quang hợp. Là carbohydrate dự trữ chủ yếu, tinh bột đóng vai trò quan trọng trong suốt chu kỳ sống của thực vật. Trong lá, một phần nhỏ carbon đồng hóa thông qua quang hợp được giữ lại trong lục lạp (chloroplast) ở dạng tinh bột chứ không được chuyển hóa thành sucrose để vận chuyển đến các bộ phận khác. Dạng tinh bột tạm thời này sẽ được phân hủy vào ban đêm để cung cấp cơ chất cho quá trình hô hấp ở lá và tiếp tục tổng hợp sucrose cho việc phát triển khác của cây. Sự cung cấp carbon từ tinh bột được cho là cần thiết cho sự sống và sinh trưởng bình thường của cây (Smith, Stitt, 2007). Trong các cơ quan không diễn ra quá trình quang hợp như thân, rễ, củ và hạt, sucrose có thể được chuyển hóa thành một lượng lớn tinh bột dự trữ trong m...