Nguyễn Quốc Trung
Nhóm NCM Lập bản đồ gen hữu ích ở cây trồng và vật nuôi, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
Tinh bột là thành phần chính dự trữ trong nội nhũ hạt ngũ cốc dưới dạng glucid. Hạt tinh bột có thành phần chính là 2 dạng polysaccharide: amylose (chiếm 0-30%) và amylopectin(chiếm >70%) (Wang, 1990). Hàm lượng amylose trong gạo quyết định đến độ dẻo và mềm của hạt cơm: hàm lượng amylose càng cao thì hạt cơm càng khô và cứng.
Amylose có cấu tạo mạch thẳng không phân nhánh tạo thành từ 300-1000 gốc glucose nhờ vào liên kết β-(1-4) glucan có trọng lượng phân tử là 100-200kDa, chuỗi amylose tạo thành có dạng xoắn lò xo với 6 gốc glucose trên 1 vòng, mỗi vòng xoắn hấp thụ 1 phân tử iodine vào bên trong tạo thành dung dịch màu xanh, khi đun nóng thì iodine tách ra làm mất màu xanh (Fitzgerald, 2006). Người ta đã dựa vào đặc tính này để xác định hàm lượng amylose có trong tinh bột.
Hình 1. Các bậc cấu trúc của hạt tinh bột (Pfister and Zeeman, 2016)
Trong cây lúa, một số emzyme tham gia tổng hợp tinh bột bao gồm ADP-glucose pyrophosphate synthase (AGPase) hoạt hoá glucose-1-phosphate thành ADP-glucose; Granule-bound starch synthase (GBSS); Soluble starch synthase (SSS). Trong đó Granule-bound starch synthase (GBSS) là enzyme quan trọng nhất quyết định đến hàm lượng amylose trong nội nhũ hạt. Enzyme này được mã hoá bởi gene waxy (wx) nằm trên nhiễm sắc thể số 6 (Massaki, 1991).
Hình 2. Quá trình tổng hợp amylose và amylopectin
Wang , 1990 đã xác định trình tự của gene waxy trên giống lúa O. Sativa (Japonica Heng-feng) cho thấy wx dài 5499bp gồm 14 exon và 13 intron. Nghiên cứu cho thấy ở locus wx có 3 allen là Wxa, Wxb và wx là allen lặn (Yan, 2007)
Khi so sánh giữa 2 allen Wxb và Wxa thấy rằng Wxa tăng hoạt động của GBSS do đó làm tăng hàm lượng amylose trong nội nhũ hạt hơn so với Wxb(Nishi, 2001). Allen Wxa chủ yếu có trong các giống lúa O.sativa Indica trong khi allen Wxb chủ yếu có trong các giống lúa O.sativa Japonica, và đó là nguyên nhân làm cho các giống lúa Indica thường dẻo hơn các giống Japonica(Wang , 1995). So sánh trình tự giữa Wxa với Wxb cho thấy có xuất hiện đột biến thay thế 1 nucleotide G (ở Wxa là AGGTATA) bằng T (ở Wxb là AGTTATA) tại đầu 5’ của intron 1, kết quả đã làm giảm hiệu quả cắt bỏ intron 1 của tiền mARN để tạo thành mARN thành thục và giảm hàm lượng amylose được tạo ra (Wang ,1995, Hirano ,1998).
Hình 3. Đột biến thay thế 1 nucleotide ở đầu intron 1 của gen Waxy
Dựa trên cơ sở này Cai et al, 2002 đã thiết kế chỉ thị phân tử CAPS trong phương pháp PCR-AccI để xác định alen Wxa và Wxb ứng dụng trong phương pháp MAS chọn giống sử dụng chỉ thị ADN (Marker Assisted Selection).
Hình trái: 1. ADN ladder, 2.Q5, 3.KD, 4.TN13-5, 5.DV108, 6.Trắc 64, 7.MT18, 8.IR64, 9.N46, 10.HT1, 11.ST10, 12.LT3, 13.BT7, 14.N56, 15.BM9603, 16.Nếp Lào, 17. Nếp 97
Hình 4. Ảnh điện di sản phẩm PCR xác định Wxa và Wxb (Lưu Thị Vân và Nguyễn Quốc Trung, 2008)
Đáng chú ý là năm 2019, Phan Thị Hiền và Nguyễn Thị Thúy Hạnh đã tiến hành lập bản đồ QTL quy định hàm lượng tinh bột khó tiêu (một loại tinh bột có chỉ số đường huyết thấp) ở quần thể F2 lai giữa giống Chiêm Tây và P6ĐB và xác định được 1 QTL là qRS6 từ giống Chiêm Tây làm tăng hàm lượng tinh bột khó tiêu, qRS6 nằm gần đầu mút vai ngắn của NST số 6 cùng vị trí với gen Waxy.
Tài liệu tham khảo
Fitzgerald, M.A and Reinke, R.F . (2006). Rice grain quality III. The report for the Rural Industries Research and Deverlopment Corporation. RIRDC Publication No 06/056.
Hirano, H.Y. Eiguchi, M and Sano, Y. A single base change altered the regulation of the waxy gene at the posttranscriptional level during the domestication of rice. Mol. Biol. Evol. 15(8):978-987.1998.
Lưu Thị Vân và Nguyễn Quốc Trung. Khóa luận tốt nghiệp ngành CNSH, 2008.
Masaaki, U. Hisako, O. and Eiichi, O. (1991). Diversification of the rice waxy gene by insertion of mobile DNA elements into introns. Jpn. J. Genet.(1991) 66, pp.569-586.
Nishi, A. Nakamura, Y. Takana, N and Satoh, H. Biochemical and genetic analysis of the effects of Amylose-Extender mutation in rice endospem. Plant Physiology, October 2001, Vol.127, pp:459-472.
Pfister, B., Zeeman, S.C. (2016). Formation of starch in plant cells. Cell. Mol. Life Sci. 73, 2781-2807 doi:10.1007/s00018-016-2250-x
Phan Thị Hiền và Nguyễn Thị Thúy Hạnh. Luận văn thạc sĩ ngành CNSH, 2019
Wang, Z.Y. Wu, Z.L. Xing, Y.Y. Zheng, F.G. Guo, X.L. Zhang, W.G and Hong, M.M.(1990). Nucleoide sequece of rice waxy gene. Nucleic acids research, vol.18, No.19
Wang, Z.Y. Zheng, F.Q. Shen, G.Z. Gao, J.P. Snustad, D.P. Li, M.G. Zhang, J.L. Hong, M.M. (1995). The amylose content in rice endosperm is related to the post-transcriptional regulation of the waxy gene. The Plant Journal 7(4), 613-622.
Yan, C.J. Tian, S. Zhang, Z.Q, Han, Y.P, Chen, F. Li, X and Gu, M.H. (2007).The source of genes related to rice grain starch synthesis among cultivated varieties and its contribution to quality. Agricultural sciences in China 2007, 6(2): 129-136
