Functional analysis of differentially expressed genes under drought conditions in the KM94 cassava variety
DOI:
https://doi.org/10.55250/Jo.vnuf.10.2.2025.003-011Keywords:
Cassava, drought, gene expression, functional categorization, RNA-SeqAbstract
Sắn (Manihot esculenta) là một loại cây lương thực quan trọng ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, cung cấp nguồn calo chính cho hơn 800 triệu người. Mặc dù sắn có khả năng chịu đựng đáng kể với căng thẳng môi trường, hạn hán vẫn có thể làm giảm năng suất tới 60%, gây ra mối đe dọa nghiêm trọng do tần suất và mức độ nghiêm trọng ngày càng tăng của các đợt hạn hán do biến đổi khí hậu gây ra. Nghiên cứu này nhằm mục đích điều tra phản ứng phiên mã của lá sắn đối với căng thẳng hạn hán bằng cách phân tích lại các tập dữ liệu RNA-Seq có sẵn công khai. Tổng cộng có 4.749 gen được phát hiện là tăng điều hòa và 2.270 gen bị giảm điều hòa trong điều kiện hạn hán, trong khi 17.126 gen vẫn được biểu hiện không khác biệt. Phân loại chức năng sử dụng nền tảng MAPMAN cho phép phân loại một cách có hệ thống các gen này thành các quá trình sinh học. Đáng chú ý, các con đường liên quan đến quá trình chuyển hóa thứ cấp, đặc biệt là quá trình sinh tổng hợp phenylpropanoid và flavonoid, đã được làm giàu đáng kể, cho thấy phản ứng chống oxy hóa và củng cố cấu trúc mạnh mẽ. Ngược lại, các gen liên quan đến quang hợp và các quá trình trao đổi chất tiêu tốn nhiều năng lượng phần lớn bị điều hòa giảm. Ngoài ra, các con đường liên quan đến biến đổi protein, xử lý RNA và cân bằng oxy hóa khử được kích hoạt, cho thấy sự điều hòa sau phiên mã và sau dịch mã phức tạp. Tín hiệu hormone, đặc biệt là thông qua axit abscisic, và các yếu tố phiên mã như họ MYB, NAC và WRKY cũng cho thấy những thay đổi đáng kể, làm nổi bật vai trò của chúng trong việc điều phối các phản ứng hạn hán. Việc tích hợp dữ liệu biểu hiện gen với phân tích con đường chức năng đã cung cấp một cái nhìn toàn diện về cách sắn điều chỉnh quá trình trao đổi chất và mạng lưới điều hòa của nó trong điều kiện thiếu nước. Những phát hiện này cung cấp những hiểu biết có giá trị về cơ sở phân tử của khả năng chịu hạn ở sắn và xác định các gen ứng cử viên có thể được sử dụng trong các chương trình nhân giống hoặc ứng dụng công nghệ sinh học để phát triển các giống sắn có khả năng chống chịu hạn, từ đó góp phần vào an ninh lương thực trong bối cảnh biến đổi khí hậu.
References
[1]. Mohidin Srnsp, Moshawih S., Hermansyah A., Asmuni M. I., Shafqat N. & Ming L. C. (2023). Cassava (Manihot esculenta Crantz): A systematic review for the pharmacological activities, traditional uses, nutritional values, and phytochemistry. J Evid Based Integr Med. 28: 2515690X231206227.
[2]. Malik A. I., Kongsil P., Nguyen V. A., Ou W., Sholihin, Srean P., Sheela M. N., Becerra López-Lavalle L. A., Utsumi Y., Lu C., Kittipadakul P., Nguyen H. H., Ceballos H., Nguyen T. H., Selvaraj Gomez M., Aiemnaka P., Labarta R., Chen S., Amawan S., Sok S., Youabee L., Seki M., Tokunaga H., Wang W., Li K., Nguyen H. A., Nguyen VD, Ham L. H. & Ishitani M. (2020). Cassava breeding and agronomy in Asia: 50 years of history and future directions. Breed Sci. 70(2): 145-166.
[3]. da Costa W. G., Bandeira E. Souza M., Azevedo C. F., Nascimento M., Morgante C. V., Borel J. C. & de Oliveira E. J. (2024). Optimizing drought tolerance in cassava through genomic selection. Front Plant Sci. 15: 1483340.
[4]. Okogbenin E., Setter T. L., Ferguson M., Mutegi R., Ceballos H., Olasanmi B. & Fregene M. (2013). Phenotypic approaches to drought in cassava: review. Front Physiol. 4: 93.
[5]. Shan Z., Luo X., Wei M., Huang T., Khan A. & Zhu Y. (2018). Physiological and proteomic analysis on long-term drought resistance of cassava (Manihot esculenta Crantz). Sci Rep. 8(1): 17982.
[6]. Alves A. A. & Setter T. L. (2004). Response of cassava leaf area expansion to water deficit: cell proliferation, cell expansion and delayed development. Ann Bot. 94(4): 605-613.
[7]. Muhammad Aslam M., Waseem M., Jakada B. H., Okal E. J., Lei Z., Saqib H. S. A., Yuan W., Xu W. & Zhang Q. (2022). Mechanisms of abscisic acid-mediated drought stress responses in plants. Int J Mol Sci. 23(3): 1084.
[8]. Hrmova M. & Hussain S. S. (2021). Plant transcription factors involved in drought and associated stresses. Int J Mol Sci. 22(11): 5662.
[9]. Kosová K., Vítámvás P., Prášil I. T., Klíma M. & Renaut J. (2021). Plant Proteoforms Under Environmental Stress: Functional Proteins Arising From a Single Gene. Front Plant Sci. 12: 793113.
[10]. Bredeson J. V., Lyons J. B., Prochnik S. E., Wu G. A., Ha C. M., Edsinger-Gonzales E., Grimwood J., Schmutz J., Rabbi I. Y., Egesi C., Nauluvula P., Lebot V., Ndunguru J., Mkamilo G., Bart R. S., Setter T. L., Gleadow R. M., Kulakow P., Ferguson M. E., Rounsley S. & 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.
[11]. Thimm O., Bläsing O., Gibon Y., Nagel A., Meyer S., Krüger P., Selbig J., Müller L. A., Rhee S. Y. & Stitt M. (2004). MAPMAN: a user-driven tool to display genomics data sets onto diagrams of metabolic pathways and other biological processes. Plant J. 37(6): 914-939.
[12]. Usadel B., Poree F., Nagel A., Lohse M., Czedik-Eysenberg A. & Stitt M. (2009). A guide to using MapMan to visualize and compare Omics data in plants: a case study in the crop species, Maize. Plant Cell Environ. 32(9): 1211-1229.
[13]. Fu L., Ding Z., Han B., Hu W., Li Y. & Zhang J. (2016). Physiological investigation and transcriptome analysis of polyethylene glycol (PEG)-induced dehydration stress in cassava. Int J Mol Sci. 17(3): 283.
[14]. Lokko Y., Anderson J. V., Rudd S., Raji A., Horvath D., Mikel M. A., Kim R., Liu L., Hernandez A., Dixon A. G. & Ingelbrecht I. L. (2007). Characterization of an 18,166 EST dataset for cassava (Manihot esculenta Crantz) enriched for drought-responsive genes. Plant Cell Rep. 26(9): 1605-1618.
[15]. Wang X., Cai X., Xu C., Wang Q. & Dai S. (2016). Drought-responsive mechanisms in plant leaves revealed by proteomics. Int J Mol Sci. 17(10): 1706
