Đang tải... (xem toàn văn)
Sự trao đổi chất thứ cấp của thực vật tạo ra một loạt các cấu trúc hóa học với ứng dụng cho một loạt các hoạt động, do đó mang lại cơ hội phát triển kinh tế và xã hội. Thể đa bội là sự sở hữu của ba hoặc nhiều bộ nhiễm sắc thể hoàn chỉnh. Sự nhân đôi của bộ gen và những lợi thế thích nghi có thể có của nó là một yếu tố quan trọng trong quá trình hình thành và tiến hóa của sinh vật nhân thực. Việc tạo ra các thể đa bội tổng hợp như một chiến lược chọn tạo giống cây trồng đã cho phép phát triển các giống cây trồng mới và cải tiến. Mục đích của bài báo này là kiểm tra sự áp dụng kỹ thuật đa bội hóa hiện đại như một công cụ nhân giống và ảnh hưởng của các kỹ thuật này đối với các đặc điểm kiểu hình, sinh hóa và di truyền ở một số loài cây tinh dầu dược liệu (MAP) để làm sáng tỏ kiến thức hiện tại chúng ta về các cơ chế có thể có liên quan. Trong những năm qua, các nghiên cứu mới đã chứng minh rằng quá trình tự đa bội có thể sửa đổi lại bộ phiên mã (transcriptome) và bộ chuyển hóa tạo ra stress bộ gen. Do đó, đa bội hóa cũng có thể dẫn đến một loạt các biến đổi, cả về phân tử và sinh lý, với các kết quả và hệ quả không tuyến tính mà còn phụ thuộc vào các điều kiện thí nghiệm. Tương tự như vậy, các khái niệm như sốc bộ gen (genomic shock) và thủy phân bộ gen (genome fluidity) cũng liên quan đến hiện tượng này, điều này làm tăng thêm độ phức tạp của quá trình
HIỆU ỨNG ĐA BỘI TRONG NHÂN GIỐNG CÂY TINH DẦU DƯỢC LIỆU Sự trao đổi chất thứ cấp thực vật tạo loạt cấu trúc hóa học với ứng dụng cho loạt hoạt động, mang lại hội phát triển kinh tế xã hội Thể đa bội sở hữu ba nhiều nhiễm sắc thể hoàn chỉnh Sự nhân đơi gen lợi thích nghi có yếu tố quan trọng q trình hình thành tiến hóa sinh vật nhân thực Việc tạo thể đa bội tổng hợp chiến lược chọn tạo giống trồng cho phép phát triển giống trồng cải tiến Mục đích báo kiểm tra áp dụng kỹ thuật đa bội hóa đại cơng cụ nhân giống ảnh hưởng kỹ thuật đặc điểm kiểu hình, sinh hóa di truyền số loài tinh dầu dược liệu (MAP) để làm sáng tỏ kiến thức chế có liên quan Trong năm qua, nghiên cứu chứng minh q trình tự đa bội sửa đổi lại phiên mã (transcriptome) chuyển hóa tạo stress gen Do đó, đa bội hóa dẫn đến loạt biến đổi, phân tử sinh lý, với kết hệ khơng tuyến tính mà cịn phụ thuộc vào điều kiện thí nghiệm Tương tự vậy, khái niệm sốc gen (genomic shock) thủy phân gen (genome fluidity) liên quan đến tượng này, điều làm tăng thêm độ phức tạp trình Giới thiệu Từ xưa, lồi người hưởng lợi từ q trình trao đổi chất thứ cấp thực vật đa dạng cấu trúc hóa học mà mang lại Cụ thể, tinh dầu dược liệu (MAP) nguồn tài ngun thiên nhiên có giá trị chúng tổng hợp lượng lớn chất chuyển hóa thứ cấp sử dụng rộng rãi nhiều ngành công nghiệp Việc khai thác hợp lý bền vững mặt kinh tế loài tinh dầu dược liệu quan tâm tạo điều kiện cho việc tạo việc làm, hội kinh doanh giao thương quốc tế Một vấn đề mà dược liệu bị khai thác bừa bãi từ tự nhiên (Iannicelli et al., 2018) Ước tính 15.000 lồi dược liệu bị đe dọa khai thác mức môi trường sống (Schippmann et al., 2006; Barata et al., 2016) Để đạt việc khai thác bền vững hầu hết lồi này, cần thay đổi mơ hình sản xuất cách giảm thiểu tượng ngoại lai thay dần việc nuôi trồng kiểu gen chọn lọc cải tiến Bước theo hướng khởi động chương trình nhân giống, hóa nhân giống để tăng suất Trong bối cảnh đó, cơng nghệ sinh học cung cấp phương pháp hiệu để tăng sản xuất nguyên liệu thực vật cải thiện sản xuất hợp chất có giá trị Ngồi ra, cơng nghệ sinh học thúc đẩy, trực tiếp gián tiếp, chiến lược bảo tồn đồng thời, phát triển việc sử dụng hợp lý bảo vệ loài quan trọng kinh tế (Iannicelli et al., 2018) Những tiến công nghệ sinh học hướng đến loại kỹ thuật tế bào mầm: dòng tế bào chất lượng cao, dòng tế bào ưu tú vật liệu biến đổi gen cho đặc điểm quan tâm (Pathak Abido, 2014) Tất chiến lược lai tạo di truyền nhân tạo mà sử dụng lấy cảm hứng từ thiên nhiên, việc sử dụng phương pháp đa bội hóa khơng ngoại lệ Đa bội, nghĩa có ba nhiều nhiễm sắc thể hồn chỉnh, cơng nhận động lực q trình tiến hóa thực vật có mạch Cơ chế hình thành thể đa bội liên quan đến hai đường: nhân đôi sinh dưỡng (somatic doubling) tạo giao tử không giảm phân (2n) giảm phân không đạt (Ramsey Schemske, 1998) Người ta cho thấy tất dòng thực vật có lịch sử tiến hóa bao gồm số đến nhiều kiện nhân đơi tồn bộ gen (đa bội), cách hàng nghìn đến hàng triệu năm, với đợt nhân đôi chồng lên phần dư gen (genomic remnants) từ vịng đa bội trước (Wendel et al , 2018) Như chế đặc trưng, đa bội thu hút quan tâm nhiều nhà nghiên cứu số lý do: (i) thường gắn liền với đặc điểm xác định loài mới, chẳng hạn cách li sinh sản khác biệt hình thái, (ii) gây nguồn gốc địa chất (saltational origin???) lồi mới, (iii) ảnh hưởng đến tiến hóa dịng tiếp theo, chép gen lợi thích nghi có (Wood cộng sự, 2009) Theo nguồn gốc chúng, thể đa bội phân loại thể tự bội thể dị bội (Stebbins, 1971) Thể tự bội bắt nguồn từ nhân đôi số lượng nhiễm sắc thể loài lưỡng bội, tạo hai (hoặc nhiều) cặp nhiễm sắc thể tương đồng Các thể dị bội bắt nguồn từ lai tạo hai cá thể từ lồi khác nhân đơi nhiễm sắc thể sau (tức kết hợp hai gen khác nhau) (Yang cộng sự, 2011) Nhiều loại trồng quan trọng cỏ linh lăng khoai tây, có đặc điểm tự bội; lồi khác dị bội (lúa mì, bột yến mạch, bông, cà phê cải dầu, loại khác) Tương tự vậy, tổ tiên giống trồng ngô, đậu tương bắp cải, dường trải qua trình đa bội hóa (thể dị bội), việc xếp lại gen giấu chứng (Osborn et al., 2003) Có thể lồi thực vật trải qua chu kỳ đa bội suốt trình tiến hóa nó, nhận kiện gần (Wood et al., 2009) Trên thực tế, dựa phân tích gen hồn chỉnh (Arabidopsis Genome Initiative, 2000), gen nhỏ sinh vật mơ hình Arabidopsis thaliana dường bị đa bội hóa q trình tiến hóa Trong thập kỷ qua, giống trồng cải tiến loài quan trọng kinh tế phát triển cách tạo đa bội nhân tạo tổng hợp cách sử dụng tác nhân gây đột biến (thể tự bội) (Dhooghe cộng sự, 2011; Eng Ho, 2019) Hơn nữa, cách 10 năm, Adams Wendel (2005) đề xuất đa bội không đơn giản chép gen, mà thực dẫn đến loạt biến đổi phân tử sinh lý Tính ổn định đa bội thực vật hạt kín cho thấy trạng thái gen có ý nghĩa thích nghi chọn lọc cách tích cực (Levin Soltis, 2018) Theo đó, hầu hết thể đa bội (tự nhiên tổng hợp) biểu kiểu hình khác với tổ tiên chúng Một số đặc điểm kích thước quan lớn (lá, hoa, v.v.), sinh khối cao hơn, khả chịu hạn, kháng bệnh, thời gian hoa trái vụ (diverse flowering time) biến đổi khác cho phép thể đa bội chiếm hốc sinh thái (new ecological niches) Ngồi ra, tính trạng đa bội đặc trưng cải thiện khả chọn lọc để sử dụng nông học (Osborn et al., 2003) Trên thực tế, đa bội hóa cơng nhận công cụ quan trọng thường xuyên sử dụng chọn giống trồng, phát triển đa bội tổng hợp cho phép cải thiện di truyền nhanh chóng thực vật Liên quan đến lồi tinh dầu dược liệu, mối quan tâm để bắt đầu chương trình nhân giống tăng cường sản xuất gốc hoạt động (active principles) Đều biết gia tăng bổ sung “C” gen loài tinh dầu dược liệu dịch mã thay đổi cấu hình sinh hóa định tính định lượng chất chuyển hóa thứ cấp, thường dẫn đến gia tăng việc sản xuất gốc hoạt động Lợi ích đa bội hóa việc cải tiến sản xuất hợp chất quan trọng kinh tế khẳng định rõ ràng Salma cộng (2017) xem xét vấn đề loài tinh dầu dược liệu đa bội tập trung vào phương pháp khác để thu thể đa bội xác định mức độ đa bội Bài báo điểm khởi đầu thú vị để nghiên cứu thiết kế quy trình cho phép tái tạo mức độ định biến đổi di truyền tạo thông qua đa bội hóa Tuy nhiên, tác giả khơng thảo luận sâu ảnh hưởng trình việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp Mục đích báo khám phá tiến phát triển đạt cách sử dụng kỹ thuật đa bội hóa cơng cụ nhân giống số loài tinh dầu dược liệu Thông qua kiểm tra tác động lên mức độ kiểu hình, sinh hóa di truyền, đánh giá kiến thức chuyên sâu chế có liên quan đến q trình Dựa sở này, chúng tơi tìm kiếm loài tinh dầu dược liệu trải qua q trình đa bội hóa (cả tự đa bội in vivo in vitro) phân tích khía cạnh khác thể đa bội mới, chủ yếu kiểu hình sản xuất gốc hoạt động Bảng trình bày danh sách lồi tinh dầu dược liệu áp dụng phương pháp đa bội hóa khác kết thu Ảnh hưởng đa bội hóa đến tế bào học, kiểu hình sinh lý học Ảnh hưởng phổ biến biết đến nhiều trình đa bội hóa thực vật tăng kích thước tế bào Khối lượng tế bào tứ bội tăng gấp đôi so với tổ tiên lưỡng bội tăng diện tích bề mặt tế bào lên khoảng 1,5 lần (Lavania, 2013) Do gia tăng kích thước tế bào, thể đa bội khác với thể lưỡng bội ban đầu đặc điểm hình thái giải phẫu, ví dụ: tăng kích thước quan cấu trúc (lá, hoa to ra) (Ramsey Schemske, 2002; Dhooghe cộng sự, 2011; Øvrebø Edgar, 2018) Sự khác biệt kiểu hình có liên quan đến hai vấn đề vốn có q trình đa bội hóa góp phần vào tác động quán “kiểu hình đa bội”, là: gia tăng hàm lượng DNA gia tăng số lượng gen (Salma cộng sự, 2017) Các tế bào có nhiều nhiễm sắc thể hơn, có nhiều DNA, tăng kích thước để trì mối quan hệ khơng đổi thể tích tế bào nhân Do đó, gia tăng quan sát kích thước quan/ quan chí toàn (Rauf cộng sự, 2006) Ở loài tinh dầu dược liệu, thay đổi kiểu hình kích thước thể quan quan sát thấy nhiều loài liệt kê Bảng Mặc dù kích thước quan tăng lên, kết lúc tăng sinh khối Thông thường, gia tăng trọng lượng tươi khô dẫn đến sinh khối cao (Gao et al., 1996 2002; Kim et al., 2004; Mishra et al., 2010) Tuy nhiên, số trường hợp, số lượng quan bị giảm sinh khối không tăng (Kaensaksiri cộng sự, 2011; Xu cộng sự, 2014) Những thay đổi kích thước thể chắn tác động mong đợi sau xảy tượng đa bội hóa Về vấn đề này, nghiên cứu gần xác định mối liên hệ việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp thay đổi kích thước thể đa bội hóa gây (Lavania cộng sự, 2012 Lavania, 2013) Các tác giả tìm thấy mối tương quan chặt chẽ thành phần định tính tinh dầu Cymbopogon spp thay đổi kích thước sinh khối thể đa bội hóa Họ chứng minh gia tăng kích thước thể (do đóng góp vào sinh khối thực vật) lớn loài có tinh dầu giàu alcohol (có mối tương quan thuận chặt chẽ nồng độ alcohol thể lưỡng bội ban đầu gia tăng sinh khối thực vật thể tự tứ bội), bị giảm mạnh lồi có tinh dầu giàu aldehyde (có mối tương quan nghịch nồng độ aldehyde thể lưỡng bội ban đầu thay đổi sinh khối thực vật/ giảm thể tự tứ bội) Các tác giả cho hiệu ứng độ dài bước trao đổi chất liên quan đến trình tổng hợp phần tinh dầu định Họ kết luận thể lưỡng bội ban đầu cần bước trao đổi chất dài bị stress việc lấy nguồn tài nguyên cho phát triển thực vật lồi có đường trao đổi chất ngắn sử dụng nguồn tài nguyên chúng hiệu liên quan đến phát triển sức sống thực vật trạng thái lưỡng bội tăng lên (Lavania cộng sự, 2012) Mặc dù hướng phân tích có liên quan đến hai tác động quan trọng trình đa bội hóa (thay đổi kích thước thể chất hóa học chất chuyển hóa), quan tâm, có báo cáo đề cập đến vấn đề quan trọng này, ngoại trừ nhóm nghiên cứu Umesh Lavania (Lavania, 2013) Cũng có nghiên cứu gia tăng kích thước đáng kể cấu trúc liên quan đến sản xuất dự trữ chất chuyển hóa thứ cấp, chẳng hạn trichomes (túi, lông tuyến,…???) (Lavania, 2005 2012; Urwin cộng sự, 2007; Iannicelli cộng sự, 2016a) Liên quan đến thay đổi kích thước tế bào, người ta cho thể tự đa bội làm tăng kích thước tế bào/ kích thước tế bào tiết tinh dầu lại giảm số lượng chúng (Lavania cộng sự, 2012) Khí khổng thể cảm ứng đa bội có kích thước lớn chúng sử dụng số thay đổi mức độ đa bội lồi, việc xác định kích thước chúng đơn giản không cần thiết bị phức tạp (để xem lại Salma cộng sự, 2017) Gần đây, Corneillie et al (2019) thí nghiệm Arabidopsis thaliana, phát đa bội hóa làm thay đổi thành tế bào thành phần đường Những thay đổi ảnh hưởng đến cấu trúc liên quan đến sản xuất / tiết / dự trữ tinh dầu, độc lập với kích thước chúng, cần xem xét phân tích dạng nhiều chất chuyển hóa thứ cấp Đáp ứng với stress đặc điểm khác bị ảnh hưởng mức độ đa bội Zhang cộng (2010) chứng minh khả cao thể tự bội để thích ứng với stress oxy hóa cách tăng hoạt động enzyme có hoạt tính chống oxy hóa Rõ ràng, đa bội hóa nguồn biến dị quan trọng, với ưu điểm nhược điểm Tuy nhiên, tài liệu, ưu điểm báo cáo vượt xa nhược điểm (De Storme Mason, 2014) Ví dụ, Beest et al (2012) trình bày đánh giá đáng quan tâm, tác giả cân nhắc tác động đa bội hóa ảnh hưởng khả thích nghi thực vật, dư thừa di truyền lâu dài tạo điều kiện thuận lợi cho phân kỳ thích nghi gen nhân đơi cho phép xuất tính tiến hóa Điều chứng minh đa bội hóa làm thay đổi hình thái, kiểu hình, sinh lý và/ sinh thái một vài hệ (Levin, 2002), tạo cá thể chịu đựng mơi trường biến động, khai thác hốc cạnh tranh với loài tổ tiên (Leitch Leitch, 2008) Khả đa bội hóa mang lại cho nhiều lồi lợi quan trọng liên quan đến môi trường sống mới, trở thành yếu tố trình du nhập - hợp với thủy thổ - xâm nhập (introduction-naturalizationinvasion) (Levin Soltis, 2018; Richardson cộng sự, 2000) Nếu tập trung vào yếu tố bất lợi, việc giảm khả sinh sản liên quan đến khó khăn q trình giảm phân kết xảy trình (sự bắt cặp giả nhiều nhiễm sắc thể, nhiễm sắc thể khơng ghép đơi giao tử có số lượng nhiễm sắc thể không cân bằng) (Madlung, 2013) Theo truyền thống, cá thể tự đa bội thường cho sinh sản so với thể dị đa bội đó, có khả thiết lập trì quần thể sống sót Hơn nữa, nghiên cứu chế hình thành thực vật có mạch (chủ yếu thực vật hạt kín) chứng minh thể tự đa bội phổ biến nhiều so với suy nghĩ trước (Ramsey Schemske, 2002; Soltis cộng sự, 2007; Lavania, 2013) Tuy nhiên, tác động dường yếu tố định trường hợp lồi tinh dầu dược liệu, mơ quan sinh dưỡng nói chung nơi dự trữ và/ tổng hợp gốc hoạt động có ích chất chuyển hóa thứ cấp Do đó, tính vô trùng hạt hạt thấp, thường liên quan đến đa bội nhân tạo, không ảnh hưởng đến khả thương mại sản phẩm thực vật cần thiết (Dhawan Lavania, 1996) Tuy nhiên, số trường hợp, hạt giống cần thiết để nhân giống ba thập kỷ qua, thể tự tứ bội cảm ứng khả sinh sản báo cáo (Lavania, 1986; Lavania Srivastava, 1991; Lavania cộng sự, 2010) Lavania (2013) cho có mối tương quan trực tiếp liên kết chiasmate/ cặp lưỡng bội mở thể lưỡng bội tiền thân liên kết chiasmate / kết đôi lưỡng bội cao thể tự tứ bội Dựa kết thu được, tác giả đề xuất chiến lược kiểu gen để có khả sinh sản cao thể tự đa bội, tức chọn trước sinh vật lưỡng bội có tần số chiasma thấp (định vị chiasma xa (distal chiasma localization)/ liên kết lưỡng bội mở (open bivalent association)) vật liệu ban đầu sử dụng (harness) tỷ lệ hóa trị hai cao cấp độ tứ bội (Lavania, 1995 2013) Đa bội hóa nguồn biến dị hóa học di truyền: ảnh hưởng đến việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp nồng độ gen Một “shock gen”, định nghĩa McClintock (1984), đề cập báo cáo khác phát triển thể đa bội dẫn đến thay đổi liên quan ảnh hưởng đến tương lai khả sống cá thể Yang cộng (2011) mô tả chi tiết tác động phân nhóm chúng, theo mức độ liên quan 1) Về cấu trúc: xếp lại gen liên quan đến việc tăng trình tự DNA, từ hoạt hóa transposon đến tái tổ hợp khơng ổn định; 2) Những thay đổi kích thước gen, chẳng hạn mở rộng (chèn transposon và/ nhân đơi NST) thu hẹp (xóa bỏ tái tổ hợp không tương đồng); 3) Thay đổi di truyền, quy định biểu gen (biểu mức không biểu hiện), gen, xuất chức số gen định, pseudogenization (gen giả), thay đổi cân gen (dị bội) thay đổi biểu sinh (methyl hóa/ demethyl hóa phần khác DNA) Trong nội dung báo này, tác động đa bội hóa lồi tinh dầu dược liệu gia tăng rõ ràng (với số ngoại lệ) việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp tác giả khác báo cáo nhiều năm Sự khác biệt số lượng nhiều loại chất chuyển hóa thứ cấp sau cảm ứng đa bội hóa trình bày thể tự tứ bội bội tổng hợp từ loài tinh dầu dược liệu khác nhau, mơ tả Bảng Ngồi gia tăng cho thấy việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp thể tự đa bội, kết thu loài tinh dầu dược liệu khác cho thấy “hiệu ứng đa bội” ảnh hưởng đến đường khác Người ta suy luận mức độ đa bội tạo thay đổi việc điều hòa tổng hợp chất chuyển hóa Do đó, số chất chuyển hóa định tăng cường, chất khác lại bị giảm theo hướng có lợi cho chất Ví dụ mối quan hệ artemisinin (sesquiterpene)/ tinh dầu (monoterpenes) Artemisia annua (Wallaart et al., 1999; Lin et al., 2011), morphine/ thebaine codeine Papaver somniferum (Mishra et al., 2010) , madecassoside/ asiaticoside axit madecassic Centella asiatica (Kaensaksiri et al., 2011), scopolamine/ hyoscyamine Hyoscyamus muticus H reticulatus (Dehghan et al., 2012; Madani et al., 2015), oxygenated monoterpene/ non-oxigenated monoterpen Lippia Integrarifolia (Iannicelli cộng sự, 2016a) Có số ngoại lệ, đa bội hóa khơng ảnh hưởng đến việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp (Wohlmuth cộng sự, 2005; Iannicelli cộng sự, 2016a) Như quan sát được, chắn gia tăng sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp loài tinh dầu dược liệu đa bội khác khơng tuyến tính với gia tăng vật chất di truyền Nghĩa là, vật chất di truyền nhân đơi, tích lũy số chất chuyển hóa định khơng nhân đơi xác Trong tài liệu xem xét, chúng tơi tìm thấy báo cáo cho thấy đa bội hóa có vai trò điều chỉnh hoạt động enzyme đơn vị protein Trong ba thập kỷ, thực tế báo cáo số báo Ví dụ, Tal (1980) phát thấy RNA cà chua tự tứ bội so với thể lưỡng bội, Guo et al (1996) phát mối tương quan nồng độ rRNA số lượng gen ngô Mặc dù hai tác giả không khảo sát tinh dầu dược liệu, kết luận họ áp dụng cho nhóm giải thích thay đổi quan sát q trình sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp Hiện nay, nghiên cứu biểu gen thông qua kỹ thuật RT-PCR cho phép khám phá hiểu rõ tác động đa bội hóa sản xuất chất chuyển hóa Bằng cách nghiên cứu biểu số gen liên quan đến trình tổng hợp chất chuyển hóa morphin, artemisinin, vindoline, catharanthine vinblastine tương ứng, chế điều hịa tích cực biểu mức nhiều gen xác nhận, người ta kết luận “trạng thái đa bội”dẫn đến điều hòa biểu gen liên quan đến đường sinh tổng hợp khác (Mishra cộng sự, 2010; Lin cộng sự, 2011; Xing cộng sự, 2011) Mặc dù báo chứng minh nhân đôi nhiễm sắc thể làm tăng hoạt động enzyme đơn vị protein, điều không thiết nghĩa hoạt động tăng gấp đôi, mong đợi tăng gấp đôi liều lượng gen số enzyme hồn tồn khơng bị ảnh hưởng chí có mức biểu thấp (Levin , 1983, 2002; Xing cộng sự, 2011) Đối với nhiều tác giả, thay đổi phi tuyến tính ngụ ý nhân đôi nhiễm sắc thể không tạo vật liệu di truyền tạo bổ sung gen nhiễm sắc thể tại, có thay đổi gen (Ranney, 2006) giải thích gia tăng liều lượng gen không tuyến tính với thay đổi cuối quan sát thấy biểu gen hoạt động enzyme Các ý tưởng chế khác cơng nhận để giải thích cách thức mà đa bội dẫn đến dạng biểu gen Một số giải thích ngụ ý tác động hàm lượng allen, thay đổi mạng lưới điều hòa, thay đổi biểu sinh nhanh chóng, xếp lại nhiễm sắc thể gen nhân đôi (Osborn et al., 2003; Adams Wendel, 2005; Parisod et al., 2010; Yang et al., 2011) Hơn nữa, gần Wendel et al (2018) báo cáo hầu hết non-genic DNA gen thực vật bao gồm yếu tố nhảy (transposable elements) hoạt động, im lặng chết phân hủy, khác thành phần số lượng quần thể, loài mức độ phân loại cao Bên cạnh đó, họ đề cập gen thực vật chứa số loại RNA nhỏ khác đóng vai trị quan trọng tổ chức gen, biểu gen tiến hóa Những ý tưởng giúp hiểu rõ trình xảy gen sau nhân đôi Đối với locus cụ thể, thể lưỡng bội có tối đa hai alen Sự gia tăng nồng độ gen cho phép tạo nhiều alen vị trí, tạo ưu trội so với thể lưỡng bội (Ramsey Schemske, 2002) Với nhiều gen hơn, đa bội làm thay đổi biểu gen (chẳng hạn làm tăng biểu gen), có khả ảnh hưởng đến nhiều đặc điểm kiểu hình (Ramsey Schemske, 2002) Sự biểu hầu hết gen phụ thuộc vào mạng lưới yếu tố điều hòa, chẳng hạn yếu tố phiên mã Số lượng yếu tố điều hòa thể lưỡng bội cao, tăng lên phần lớn thể đa bội Các thể tự đa bội thay đổi mạng lưới cách tăng số lượng yếu tố điều hịa liên quan đến số lượng alen (Osborn cộng sự, 2003) Trạng thái làm tăng biến đổi gen thông qua thay đổi chế biểu hiện/ điều chỉnh, góp phần làm tăng khả thích ứng Các nghiên cứu gần tập trung vào thay đổi biểu sinh thể đa bội, điều giải thích khác biệt quan sát thể đa bội tạo từ thí nghiệm điều kiện Những thay đổi biểu sinh khơng có nghĩa thay đổi trình tự DNA, mà ảnh hưởng đến biểu gen cách methyl hóa DNA, sửa đổi histone đóng gói nhiễm sắc thể Những thay đổi dẫn đến kìm hãm biểu gen (làm im lặng gen) biểu trình tự bị kìm hãm thể lưỡng bội (khử ức chế) Những sửa đổi ảnh hưởng trực tiếp đến kiểu hình chúng liên quan đến gen mã hóa cho enzyme protein cấu trúc Tuy nhiên, thay đổi mức độ biểu gen điều hịa ảnh hưởng đến kiểu hình thơng qua biến thể lớn biểu gen điều chỉnh nồng độ thông qua thay đổi mạng lưới điều hòa, mô tả trước (Osborn cộng sự, 2003) Đối với tượng tự phân bào, thay đổi biểu sinh phát đặc biệt sau nhân đơi gen, dẫn đến thay đổi trình tự tìm thấy vùng bị methyl hóa dẫn đến thay đổi mạnh mẽ biểu gen (Martelotto cộng sự, 2005, 2007; Mecchia cộng cộng sự, 2007; Lavania cộng sự, 2012; Gao cộng sự, 2016) Trong Arabidopsis, Finn et al (2011) cho thấy gen chuyển biểu mức độ thấp thể tự bội (4x) so với thể lưỡng bội (2x) metyl hóa cấp độ 4x nhiều so với × Họ gợi ý gen phiên mã bị kìm hãm 4x, dẫn đến mức độ biểu thấp so với 2x Martelotto cộng (2007) đề cập đến khả thay đổi biểu sinh liên quan đến tượng chung ổn định đa bội Tương tự vậy, tác giả thay đổi di truyền sau xếp lại phần gen phiên mã, có lẽ chủ yếu qua trung gian yếu tố điều hòa cis trans, ảnh hưởng đến locus metyl hóa khác mà trình tự khơng thay đổi (Martelotto cộng sự, 2007) Baubec cộng (2010) đưa đề xuất liên hệ ‘khóa kép’ trình methyl hóa DNA sửa đổi histone với bất hoạt phiên mã liên quan đến thể lưỡng bội Dựa điều này, Lavania cộng (2012) phát mức độ methyl hóa DNA cao thể tự đa bội Cymbopogon spp., Họ cho thấy methyl hóa cytosine cao tăng cao thể đa bội dẫn đến hình thành ‘khóa kép’ ảnh hưởng liên quan đến đa bội lên chất chuyển hóa thứ cấp phát triển kích thước thể thể tự đa bội Việc xếp lại gen dẫn đến việc di dời đoạn nhiễm sắc thể (Parisod cộng sự, 2010), dẫn đến tăng / locus Mặc dù chứng có cịn hạn chế, có nhiều gợi ý cho thể tự đa bội cho thấy tái tổ hợp mạnh mẽ gen chúng giai đoạn đầu q trình trở nên cần thiết lâu dài (Rodriguez cộng sự, 2012) Ít hai lý giải thích cho việc tăng đoạn trình tự (Gao et al., 2016) Trước hết, tượng kết q trình phiên mã retrotransposon kích hoạt q trình đa bội hóa, dẫn đến sửa đổi gen (Osborn et al., 2003; Bardil et al., 2015) Ở lý thứ hai, điều xảy loại bỏ DNA trình tái tổ hợp gen (Halfmann Lindquist, 2010), điều làm thay đổi cấu trúc gen giống kiểu lưỡng bội trì ổn định gen Mặt khác, câu hỏi đặt liệu phương pháp sử dụng để thu thể đa bội có ảnh hưởng đến đặc điểm chúng hay không Những thay đổi đa bội hóa quan sát thấy thể đa bội tự nhiên đa bội nhân tạo Sau thu thơng qua kỹ thuật khác nhau: mơ phân sinh xử lý bơng gịn nhúng colchicine, hạt nảy mầm môi trường chứa colchicine thông qua nuôi cấy mô ống nghiệm (bằng cách nhúng mẫu vào dung dịch colchicine thêm colchicine vào môi trường nuôi cấy, cách phát sinh quan trực tiếp gián tiếp) (xem Bảng phụ) Iannicelli cộng (2016a) chứng minh thử nghiệm đa bội hóa ống nghiệm phải thiết kế cẩn thận với đối chứng thích hợp để phân biệt “hiệu ứng đa bội” “hiệu ứng in vitro” (tức biến dị dòng soma, Regalado et al., 2015) Các tác giả kết luận nuôi cấy mô tạo thay đổi “hiệu ứng in vitro” gây nhiều tác động quan sát thấy, độc lập với mức độ đa bội (Iannicelli cộng sự, 2016b) Các RAPD EST-SSR thể tự đa bội khác với thể lưỡng bội chúng cấp độ phân tử (Martelotto cộng sự, 2005 2007; Regalado cộng sự, 2015) Bên cạnh đó, ISSR phát khác biệt mẹ ban đầu cá thể thu thông qua kỹ thuật nuôi cấy mơ (Iannicelli cộng sự, 2016b) Do đó, việc đưa thị phân tử vào phân tích thể tự tứ bội giúp phân biệt hai hiệu ứng Trong hầu hết trường hợp trích dẫn Bảng 1, thể tự đa bội thu kỹ thuật nuôi cấy in vitro, mà ảnh hưởng điều kiện in vitro (tức biến dị dịng soma) khơng xem xét (Wallaart cộng sự, 1999; Kaensaksiri cộng sự, 2011; Lin cộng sự, 2011), số trường hợp, khác biệt tìm thấy phương pháp xử lý (như trường hợp Glycyrrhiza glabra var.glandulifera, Bernard cộng sự, 2012) nhiều khác biệt tìm thấy cá thể thu từ xử lý giống (chẳng hạn Dioscorea zingiberensis, Heping cộng sự, 2008) Cùng thời với McClintock (1984) “cú sốc gen”, Walbot Cullis (1985) đề xuất thuật ngữ “tính linh hoạt gen thực vật” để mô tả cách thực vật thích nghi tiến hóa thơng qua thay đổi gen (đóng xoắn, mở rộng, nhân đơi đa bội hóa) Đặc tính chứng minh chịu áp lực điều kiện nhân tạo in vitro Một điều phổ biến tế bào 2x có xu hướng biến thành kiểu gen 4x nuôi cấy in vitro, đạt đến trạng thái ổn định di truyền cao (Escandón cộng sự, 1989; Lavania Srivastava, 1990; Dehghan cộng sự, 2012 ) Do đó, cần thiết phải thiết kế thí nghiệm hiệu ứng để đưa kết luận xác “hiệu ứng đa bội” Martelotto cộng (2005) đề xuất kiện đa bội hóa đại diện cho trường hợp cụ thể để nghiên cứu biến đổi gen đó, thay đổi mức độ biểu gen, tạo biến thể thơng qua chèn / loại bỏ / epigenesis Tuy nhiên, số chế kiểu biểu chung bảo tồn kiện đa bội hóa khác đơn vị phân loại khác Phương pháp tiếp cận transcriptomic and metabolomic Trong năm qua, nghiên cứu transcriptomic and metabolomic làm sáng tỏ thơng tin có giá trị tác động đa bội hóa hệ gen Giả thuyết cân gen đưa đề xuất gen mã hóa sản phẩm có tính liên kết cao với phức hợp protein đường sinh hóa - "nhạy cảm với hàm lượng", tức chúng phải có số lượng gen gen có sản phẩm chúng tương tác với chúng (Buggs cộng sự, 2012; Parida Misra, 2015) Giả thuyết cân hàm lượng đưa giả thuyết rằng, ví dụ, yếu tố phiên mã chất dẫn truyền tín hiệu giữ lại sau đa bội hóa để mạng lưới gen trì mức độ thích hợp yếu tố điều hịa upstream để kiểm sốt đường downstream (Arrigo Barker, 2012) Tuy nhiên, mô hình ngược lại dự đốn giả thuyết “cân hàm lượng” gen liên quan đến truyền tín hiệu yếu tố phiên mã bị đáng kể qua lần nhân đôi toàn bộ gen nhiều loài, so với gen liên quan đến chuyển hóa cấu trúc giữ lại nhiều (Barker et al , 2008; Parida Misra, 2015) Wildermuth (2010) mô tả đường trao đổi chất nhạy cảm với hàm lượng gen ròng, số đường khác, đường liên quan đến khả lên men, transporters sản xuất chất chuyển hóa chuyên biệt plastid Các gen tham gia vào trình trao đổi chất chuyên biệt ưu tiên giữ lại sau WGD (q trình chép tồn bộ gen) Arabidopsis (Maere cộng sự, 2005) gia tăng thể đa bội có liên quan đến việc tăng cường sản xuất chất chuyển hóa chun biệt (ví dụ terpenoids, flavonoids, alkaloids) nhiều dược liệu (Lavania, 2005), cho thấy đường đáp ứng với việc tăng hàm lượng gen ròng Gần đây, nghiên cứu phiên mã chuyển hóa chứng minh trình tự đa bội hóa sửa lại hệ thống phiên mã hệ chuyển hóa (Tan cộng sự, 2015 2017; Fasano cộng sự, 2016; Gao cộng sự, 2016) Theo nghiên cứu thực Solanum commersonii S.bulbocastanum Fasano et al (2016), đa bội hóa gây "stress gen", tạo cân bể (pool) nucleotide làm tăng sản xuất chất chống oxy hóa (tức axit chlorogenic, Fasano cộng sự, 2016) Trong nghiên cứu trước đây, đề cập đến khác biệt tìm thấy thành phần định lượng dầu thể tự tứ bội lưỡng bội Lippia Integrarifolia (Iannicelli et al., 2016a) Các thể tự tứ bội cho thấy mức độ cao monoterpen Như đề cập trước Fasano et al (2016), chúng tơi giả định gia tăng quan sát số monoterpen định liên quan đến hoạt động chống oxy hóa chúng gây điều cho thấy trao đổi chất monoterpen bị ảnh hưởng nhiều ưu trình đa bội hóa, - có lẽ phản ứng thích ứng - sesquiterpenes, nhờ hoạt tính enzym enzym tổng hợp monoterpene khác tăng lên sau đa bội hóa Có nghiên cứu đáng quan tâm với Citrus limonia thực Vieira et al (2016), khác biệt đáng kể quan sát thấy cấu hình monoterpene lưỡng bội tứ bội bị stess Ở thể lưỡng bội, trình tổng hợp aldehyde alcohol (citral, geraniol, v.v.) bị hủy bỏ, thể tứ bội monoterpen không oxy (non-oxygenated monoterpenes), chẳng hạn pinen, limonene sabinene, hợp chất Mặc dù số tác giả đề xuất chế điều hòa tổng hợp monoterpene thực vật có múi tự tứ bội, (Gancel cộng sự, 2003), lai soma (Fanciullino cộng sự, 2005), điều chưa làm rõ cách nhân đôi nhiễm sắc thể ảnh hưởng đến trình sinh tổng hợp cấu tạo terpen, làm thay đổi thành phần chúng điều kiện bình thường Vieira cộng (2016) kết luận cá thể lưỡng bội tứ bội C limoniac bị ảnh hưởng tiêu cực stress nước (hydric stress), kiểu gen tứ bội biểu bị tổn thương màng quang hợp thể khả phục hồi tốt Kết luận đạt cách đo hoạt động quang hợp hai kiểu gen, tổn thương thấp đặc tính chống oxy hóa cao tạo cấu trúc monoterpenic thể tứ bội Giống Lippia Integrarifolia, Solanum commersonii S bulbocastanum, gia tăng khả chống oxy hóa, lượng monoterpen cao hơn, kết trình đa bội hóa Các chất chuyển hóa khác cho tăng lên sau cảm ứng đa bội hóa phenylpropanoid (Xu cộng sự, 2014) Các tác giả phát hoạt động PAL C4H tứ bội Echinacea purpurea cao so với lưỡng bội, điều cho thấy tứ bội biểu mức độ sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp cao mức độ proteomic Tuy nhiên, phân tích chuyển hóa so sánh gần thực với thể lưỡng bội kép loài Citrus khác, Citrus reticulata Citrus junos cv Ziyang xiangcheng, Poncirus trifoliata, đưa thơng tin thảo luận tác động q trình đa bội hóa lên chất chuyển hóa Họ chứng minh chất chuyển hóa sơ cấp có xu hướng gia tăng thể tự đa bội, quan sát thấy hàm lượng sucrose, proline axit γ-aminobutyric (GABA) - chất biết đến nhiều chất chuyển hóa liên quan đến stress -, hàm lượng chất chuyển hóa thứ cấp bao gồm flavon, phenylpropanoids terpenoids, có xu hướng giảm Điều đáng quan tâm là, bất chấp khác biệt tìm thấy 2x 4x, phân tích phiên mã cho thấy số gen biểu khác biệt đáng kể; mong đợi, gen điều hịa tăng 4x có liên quan nhiều đến chức phản ứng với stress Do đó, mơ hình đề xuất trao đổi chất sơ cấp ưu tiên chuyển hóa thứ cấp thực vật lưỡng bội kép để giảm bớt “stress gen”, để thúc đẩy sức sống tăng trưởng Bên cạnh đó, phân kỳ phiên mã (transcriptional divergence) giải thích đầy đủ thay đổi q trình trao đổi chất, nên điều hòa sau phiên mã giả định (Tan cộng sự, 2015 2017) Như thấy, tất kết liên quan đến chuyển hóa sơ cấp thứ cấp sau đa bội hóa gây tranh luận dường chuyển hóa sơ cấp ưu tiên chuyển hóa thứ cấp, dường để giảm bớt áp lực căng thẳng sau đa bội hóa Tuy nhiên, chúng tơi tìm thấy số tài liệu đề cập đến vấn đề Đa bội chiến lược cho chương trình nhân giống tinh dầu dược liệu (MAP) Khơng có số nghiên cứu vượt quan sát đơn kiểu hình kiểu trao đổi chất định thể đa bội, mà cịn có chương trình nhân giống đa bội dành riêng cho MAP Bản cập nhật Cơ sở liệu giống đột biến (IAEA / MVD, 2019) cho thấy rằng, từ tổng số 3.300 giống, có 46 giống thể đa bội Trong số đó, có bốn lồi tương ứng với dược liệu (một loài Matricaria chamomilla, đăng ký năm 1984 ba loài Humulus lupulus đăng ký vào năm 1993, 1995 1998) Cho đến nay, khơng có đăng ký MAP MVD (Cơ sở liệu giống đột biến) tìm thấy Tuy nhiên, chúng tơi nhận thấy dòng nghiên cứu khởi xướng thập kỷ qua cho thấy tiến thú vị Ví dụ, nội dung nghiên cứu phát triển cho Centella asiatica thú vị để thảo luận Kaensaksiri cộng (2011) kết luận thể tứ bội chúng thể cải thiện sản xuất sinh khối triterpene đề xuất việc lựa chọn dòng tứ bội ưu tú cho khảo nghiệm ngồi thực địa Một nhóm tương tự báo cáo kết từ khảo nghiệm thực địa (Thongon cộng sự, 2014), đó, số kiểu gen tự tứ bội khác phục hồi (dữ liệu hiển thị Kaensaksiri cộng (2011) cho thấy phân tán lớn), họ chọn loại có triển vọng sản xuất sinh khối triterpene so sánh với ba kiểu gen lưỡng bội, số ban đầu kiểu khác từ quần thể địa điểm khác Thong-on cộng (2014) báo cáo hiệu suất thực địa thú vị thể tứ bội đối chứng thể lưỡng bội khác, sản xuất sinh khối sản xuất gốc hoạt hóa, cho thấy tổng hàm lượng triterpene tăng lên tới 70% sau bốn tháng đánh giá thực địa Điều quan trọng cần nhấn mạnh nhóm kết hợp cách thông minh nuôi cấy mô nhân giống, trước tiên thúc đẩy biến đổi ống nghiệm sau chọn cá thể để thử nghiệm thực địa Do đó, họ phát triển gói cơng nghệ cần thiết cho việc chuyển giao cho nhà sản xuất Phần lớn Chi Hyoscyamus có liên quan đến cảm ứng thể tự đa bội Nhóm nghiên cứu U.C Lavania phát triển thể đa bội tổng hợp số lồi Hyoscyamus Nhóm khơng phát triển cá thể có khác biệt việc sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp mà cịn thử nghiệm để thu thể tự đa bội có khả sinh sản tốt (Lavania, 1986; Srivastava Lavania, 1990; Lavania Srivastava, 1991; Srivastava cộng sự, 1992) Có kết nghiên cứu hệ thống tiến hành việc thu thập thể tứ bội Hyoscyamus muticus để tăng sản xuất tropane alkaloids (Shahriari-Ahmadi cộng sự, 2008; Dehghan cộng sự, 2012) Các thể tự tứ bội thu phương pháp ex vitro (ShahriariAhmadi cộng sự, 2008) sau hệ, cá thể từ thể tự tứ bội tổng hợp Dehghan cộng sử dụng (2012) để thu nhận nuôi cấy rễ tơ Nghiên cứu không cho phép cải thiện việc sản xuất chất chuyển hóa, mà cịn chứng minh ổn định thể tứ bội canh tác trồng, tất qua hệ thứ cách tự thụ tinh, ổn định mẫu cấy rễ tơ đa bội sau 30 tháng ni Một ví dụ khác nghiên cứu Iannicelli et al (2016a) thực Lippia Integrarifolia Nhóm thiết lập chu trình in vitro hồn chỉnh loài với việc thu thể tự tứ bội Từ phát triển này, giống thu phương pháp đa bội hóa in vitro, với suất tinh dầu cao Đây giống “incayuyo” đặt tên TAWA-INTA, đăng ký Argentina (Số đăng ký INASE: 15.679) (Iannicelli cộng sự, 2018) Ngoài ra, việc đánh giá tái sinh thông qua nuôi cấy in vitro điều kiện tự nhiên báo cáo điều mở đường cho thử nghiệm tương lai liên quan đến việc tái sinh quần thể (Iannicelli et al., 2016b) Hiện tại, việc hóa giống bắt đầu kết ban đầu cho thấy rằng, quan sát trước điều kiện nhà kính, giống cho suất tinh dầu cao so với kiểu gen lưỡng bội ban đầu điều kiện thực nghiệm Tuy nhiên, cấu trúc giải phẫu TAWA nhỏ gọn hơn, tăng gấp đơi mật độ gieo hạt, dẫn đến sản lượng tinh dầu đơn vị diện tích cao (số liệu chưa cơng bố) Các tác giả đề xuất sử dụng chiến lược cho lồi tinh dầu dược liệu có nguy bị đe dọa Kết luận Mặc dù động vật thực vật có mã di truyền, tổ tiên chung môi trường sống, chúng đại diện cho sinh vật sống tiến hóa theo cách khác Khơng có khả di chuyển động vật với nhận biết môi trường kích thích khác nhau, thực vật phát triển tiến hóa thành dạng sống hồn tồn khác biệt thơng qua chế thích nghi, chiếm lĩnh trái đất biến đổi Thơng qua shock gen tính linh động gen thực vật, đa bội hóa yếu tố có liên quan số chế cho phép thực vật chiếm giữ, chinh phục thành cơng mơi trường sống khác tiến hóa Stress gen xảy sau đa bội hóa thiếu tính tuyến tính quan sát thấy gia tăng vật chất di truyền sản xuất chất chuyển hóa thứ cấp làm cho khó biết trước đặc điểm thể đa bội mới, chủ yếu liên quan đến trình trao đổi chất thứ cấp Bên cạnh đó, thơng tin thu từ phân tích phiên mã trao đổi chất liên quan đến trình trao đổi chất sơ cấp sau đa bội hóa gây tranh luận Có thể thấy, việc thực phân tích chuyển hóa phiên mã có liên quan lớn để hiểu rõ kết xảy trình đa bội hóa Tuy nhiên, có thiếu sót quan trọng nghiên cứu chủ đề Kết luận, chúng tơi tin đa bội hóa liên quan đến loạt thay đổi lớn cần quan tâm đến việc tổ chức phịng thí nghiệm khác để nghiên cứu tượng cách có hệ thống khảo sát theo quan điểm khác