บทสรุปของการควบคุมการทำงานของยีนใน M และ B cells

การสะสมของโปรตีนสำหรับการสังเคราะห์แสงในเซลล์ M หรือเซลล์ BS ของพืช C4 เกี่ยวข้องกับหลายระดับในการควบคุมทั้งระดับ transcription, post-transcription, translation และ post-translation กลไกที่ควบคุม M-specificity หรือ BS-pecificity ได้ถูกค้นพบแล้วบางส่วนสำหรับบางยีน แต่ก็ยังมีอีกมากที่จะต้องทำการศึกษาต่อไป สามารถสรุปเกี่ยวกับการควบคุมการทำงานของยีนในเซลล์ M และ BS ได้ดังนี้

1. ประสิทธิภาพของการถอดรหัส (transcription), กระบวนการหลังการถอดรหัส (post-transcription) และการแปลรหัส (translation) มีความเกี่ยวข้องกันเพื่อที่ทำให้เกิดการสะสมของโปรตีนในเซลล์ M และเซลล์ BS ที่ต้องการในวัฏจักร C4

2. Golden 2 (G2) และ Golden1-like protein มีบทบาทในการควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงทั้งในพืช C3 และ C4

3. Promoter ของยีน PEPC และ PPDK ในข้าวโพด และยีน cytosolic aspartate aminotransferase (AspAT) ของ Panicum miliaceum ทำให้เกิดการสะสมใน M-specific ของ reporter ในข้าว นอกจากนี้ promoter ของยีน PEPC และ glycine decarboxylase P-subunit (GDCP) จาก Flaveria bidentis ทำให้เกิดการสะสมแบบ M และ BS-specific ตามลำดับ นักวิจัยยังมีความรู้ไม่มากนักสำหรับยีนที่ถอดรหัสให้โปรตีนเหล่านี้ในพืช C3 ต่อการแสดงออกของเซลล์เฉพาะเจาะจงในชนิดพืชเหล่านั้น

4. cis-element ที่เกี่ยวข้องในเซลล์ที่เฉพาะเจาะจงได้ถูกพบแล้วในบางยีนของ C4 แต่ transcription factors ยังคงไม่ทราบ ตัวอย่างเช่น mesophyll enhancing module (MEM1) มีผลโดยตรงต่อการแสดงออกของ reporter ใน M-specific ของ Flavenia bidentis

5. ยีนที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลง (conserved genes) ที่มีความใกล้ชิดกับพืช C4 ได้ถูกศึกษาและมีการแสดงออกที่สูงในพืช C3 ที่มีความใกล้ชิดกันทางพันธุกรรม

6. การนำบางส่วนของสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่เป็น C4 ถ่ายเข้าไปสู่ข้าวโดยการแสดงออกของเอนไซม์ 4 ชนิดของวัฏจักร C4 ในเซลล์เมโซฟิลล์ พบว่า ไม่ได้ทำให้มีปริมาณ flux เพิ่มขึ้นผ่านวัฏจักรของ C4

 

ตารางที่ 2 สรุปรายชื่อของยีนที่เกี่ยวข้องกับขบวนการสังเคราะห์แสงแบบC4โดยแสงและการพัฒนาการ 

 

 

Protein

 

Species

Identified genes

C4 accession number

Summary of light and developmental regulation

β-CA

Flaveria bidentis

CA1, CA2, CA3 (72, 131)

AY167113

N/A

Maize

CA1, CA2 (17)

U08403

Activity increases along the leaf developmental gradient from base to tip. In the dark, activity is less than 1% of that in the light and increases rapidly after a dark-to-light transition. However, its activity is not subject to dark inactivation

Sorghum

Tandem duplication:Sb03g029170,

Sb03g029180, Sb03g029190,

Sb03g029200 (141). Sb03g029170

has 13 exons and an internal repeat

structure and is likely a fusion of 2

neighbouring CA genes. The first

exon contains a chloroplast targeting

peptide. Sb03g029180 has only 6

exons and lacks the cTP.

Sb03g029200 is likely a pseudogene

because it is truncated and has a

DNA insertion as well as point

mutations. Sb03g029190 has a

normal gene structure but does not

group with C4 CA genes found in

maize when analyzed

phylogenetically

 

Sb03g029170 corresponds to two previously identified cDNAs, HHU69 and HHU22 (146). Expression of these cDNAs is light-inducible and restricted to M cells

PEPC

Flaveria trinervia

PpcA, PpcB, PpcC (44, 45, 99)

X61304

When the FtPpcA promoter is fused to uidA and transformed into F. bidentis, promoter activity spreads from leaf base to tip. Proximity of the M cell to the BS affects the intensity of staining, with greater distances resulting in little to no GUS

Maize

Pepc1, Pepc2, and Pepc3(111)

NM 001111948

PEPC expression is light regulated (89) and PEPC

localization becomes restricted to M cells during

development (64, 78). Light causes an increase in PEPC1 transcription and in the amount of heteronuclear and translatable RNA (37, 43, 53, 120). Regions 5_ to thePEPC1 gene have been implicated in its response to light. The nuclear factors PEP-I, MNFs, and Dof1&2 have been shown to bind the PEPC1 promoter and are likelyimportant for light regulation. Dof2 is thought to repress Dof1 in nonphotosynthetic tissues. Alterations in chromatin associated with PEPC1 have been implicated in the response to light

Sorghum

Sb10g021330 (141)

X17379, X63756

PEPC expression is responsive to a dark-to-light switch and under phytochrome control

MDH

Flaveria spp.

MDH (86)

F. bidensis: L40958

F. trinervia: U22533

N/A

Maize

MDH (88)

X16084

Transcript accumulation is light induced

Sorghum

MDH1, MDH2 arranged in tandem

(22, 71). Designated loci in genome:

Sb07g023920 and Sb07g023910,

respectively (141).

X53453, M31965

MDH1 is induced by light. MDH2 transcripts are

expressed in a more constitutive manner and are less abundant relative to MDH1

NADP-ME

F. trinervia and

F. bidentis

NADP-ME1 (ChlMe1),NADP-ME2

(ChlMe2) (76, 102)

F. trinervia:

AF288919

F. bidentis: AF288899

NADP-ME1 transcript accumulation is restricted to leaves,light regulated, and synchronized with the onset of C4 metabolism

Maize

NADP-ME1, NADP-ME2.

NADP-ME1 is also known as Me3

and Mod1 (109, 129)

NM 001111843

Transcripts are detectable in etiolated leaves but abundance increases fivefold upon greening. Accumulation is most marked in plastochrons 6 to 7. UV-B and red/far red light are involved in ME1 regulation in etiolated seedlings

Sorghum

Sb03g003230, plus two additional

orthologous pairs of genes

AY274836

N/A

PPDK

F. trinervia

PPDK

X57141

Accumulation of transcripts encoding plastidic transcript PPDK are light regulated

Maize

PPDK1 (encodes C4PPDKZM1 and

CYPPDKZM1), PPDK2(34, 82,

113)

NM 001112268

Synthesis of C4 PPDK protein is most significant at 2 to 4 cm from the base of the leaf (84). Elements −1300 to +72 of PPDK1 generate light-responsive expression in protoplasts

Sorghum

Sb09g019930, Sb01g031660

 

Sb09g019930 gene structure is similar to maize

SSU

F. bidentis

RbcS1, RbcS2

AY267350,

AY267351

 

Maize

RbcS multigene family(115)

ssu1 locus:

NM 001111824

RbcS expression is light regulated (89). Stimulation of

transcript abundance in response to light occurs within 24 h and RbcS transcripts accumulate coincident with basal to apical leaf development (84). SSU only accumulates in mature leaf tissue, but RbcS mRNA is detectable before the BS is fully differentiated. Transcripts of RbcS accumulate differentially in C3-(husk) and C4-(leaf) type

tissues

Sorghum

Sb05g003480, Sb08g001646

 

N/A

Amaranthus

Hypochondriacus

RbcS

X87171

Transfer to light leads to a large increase in abundance of RbcS transcripts and an association of RbcS transcripts with polysomes. During periods of extended darkness,rates of SSU synthesis decline more significantly than the abundance ofRbcS transcripts, although the transcripts remain attached to polysomes

LSU

Flaveria spp. and

A. hypochondriacus

rbcL

F. bidentis: X55830

A. hypochondriacus:

X51964

Light is required to induce high levels of rbcL accumulation but not to initiate transcription, indicating a developmental signal is necessary for expression. Unlike SSU, LSU accumulation in Amaranth cotyledons is similar in the dark

and light and precedes SSU detection. In leaves, patterns of rbcL accumulation overlap with those of RbcS

Maize

rbcL

ZemaCp032

rbcL expression is regulated by light  and veinspacing

Sorghum

SobiCp030

 

N/A

Polypeptides of

PSII

Maize, sorghum,

sugar cane,

pennisetum,

F. trinervia

Plastid and nuclear encoded

 

During leaf development PSII activity and the abundance of transcripts encoding PSII components decrease in BS cells. Light intensity and environment appear to influence the degree to which PSII activity and accumulation is repressed in the BS of F. trinervia

NAD-ME

A. hypochondriacus

NAD-ME

U01162

NAD-ME is expressed very early in leaf development and is highly light-dependent, and run-ons show this is partly due to a light-stimulated increase in transcription. The rate of protein synthesis after transfer of light-grown leaves into the dark decreased more dramatically than the abundance of transcripts , indicating regulation at the level of

translation as well

PEPCK

Maize

PCK

AB018744

PCK is abundant in BS cells of maize, a NADP-ME C4 plant. The transcript accumulates to higher levels in the day than at night and increases over the course of seedling development

PPDK-RP

Maize

PDRP1

NM 001112403

N/A

Sorghum

Sb02g035190, tandem paralogues

Sb02g035200 and Sb02g035210

 

N/A

PEPC-kinase

(PPCK, PEPCk)

F. trinervia

PEPC-K, additional genes likely

AB065100

PEPC-K transcripts are detectable in the light but not during the night. Expression is higher in F. trinervia than in the C3 F. pringlei

Maize

PPCK1, PPCK2, PPCK3, PPCK4

NM 001112338

PPCK1 transcripts are most abundant in the light. PPCK2 transcripts preferentially accumulate in BS cells in the dark. PPCK3 and PPCK4 transcripts are less abundant than PPCK1 and -2

Sorghum

Sb04g036570 (PPCK1),

Sb04g026490 (PPCK2),

Sb06g022690 (PPCK4)

DQ386731

PPCK1 expression is light regulated

 
 

 

ข้อแนะแนวทางสนับสนุนการวิจัยข้าวทนร้อน

เพิ่มการเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราห์แสงและเส้นทางงานวิจัยข้าวเพื่อปรับปรุงระบบการสังเคราะห์แสงภายใต้สภาวะโลกร้อน

 

ประชุมระดมความคิดเห็น 

เพื่อให้สถานภาพงานวิจัยข้าวไทย และระดมแนวความคิดในการพัฒนางานวิจัยในอนาคต จึงได้จัดการประชุม ระดมความเห็น เมื่อวันที่ 30 ก.ค. 2555 และมีข้อสรุปจากการประชุมดังกล่าว

 

สรุปผลการประชุมระดมความคิดเห็น 

เทคนิคการวัดอัตราการสังเคราะห์แสง, การหายใจเชิงแสง และการหยุดการสังเคราะห์แสง พบว่าเทคนิคทั่วไปมีสัดส่วน คือ การวัดค่า light response กับ CO2 response ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ อัตราการสังเกตุแสงของใบ, พื้นที่่ใบ, อายุของใบ การกระจายแสงในเรือนพุ่ม ปัจจัยสิ่งแวดล้อม และปัจจัยภายใน เครื่องที่ใช้วัดการสังเคราะห์แสง เช่น Photosynthesis system (Licor 6400) หรือ Fluor pen ที่สามารถวัด Chlorophyll fluorescence ได้เร็ว การใช้ Carbon isotope discrimination เพื่อบ่งบอก affinity ของปฏิกิริยา Oxygenase & Carboxylase ของ Rubisco ซึ่งขีดความสามารถของนักวิจัยไทยในการวัด Carbon isotope ยังมีไม่มากนัก รวมทั้งเครื่องวัดอัตราการสังเคราะห์แสงยังมีน้อยมาก ในส่วนของ photorespiration อาจจำเป็นต้องพัฒนาวิธีการคัดกรอง CO2 compensation point เพื่อคัดเลือกข้าวกลายพันธุ์ที่ยังคงระดับการสังเคราะห์แสงได้ดีที่อุณหภูมิสูงและมีปริมาณ CO2 ต่ำกว่าปกติ เช่น ง CO2 compensation chamber

 

จำนวนและขีดความสามารถนักวิจัยข้าวของไทยในปัจจุบัน การประเมินขีดความสามารถของนักวิจัยด้านข้าวในปัจจุบันได้โดยดูจากการเสนอผลงานการประชุมแห่งชาติครั้งที่1 เมื่อวันที่15-17 ธ.ค. 2553 เราพอจะเห็นสภาพที่แท้จริงว่า ปัจจุบันเรามีนักวิจัยเชิงลึกมากน้อยเพียงใด ในจำนวนผู้เสนอผลงานจำนวน 115ท่านจาก120หัวข้อเรื่อง มีเพียง41หัวข้อเรื่องที่เกี่ยงข้องกับเทคโนโลยีชีวภาพข้าว หรือประมาณ30%ของหัวข้อ แต่หากนับจำนวนนักวิจัยจะพบว่าใน41หัวข้อเรื่องนี้ มาจากนักวิจัยเพียง10คน ในหัวข้อทั้ง41หัวข้อ ยังไม่มีการศึกษาด้านระบบการสังเคราะห์แสงภายใต้สภาวะโลกร้อนแต่อย่างใด นั่นแสดงว่าจำเป็นจะต้องมีการปรับปรุงทั้งด้าน จำนวนและคุณภาพของนักวิจัย (human capacity) และทุนสนับสนุนการวิจัย เพื่อให้งานวิจัยมีความก้าวหน้า จากสมมุติฐานดังกล่าวจึงนำไปสู่แผนที่เส้นทางการพัฒนางานวิจัยเป็นคู่ขนานกับ เส้นทางการพัฒนานักวิจัยและเส้นทางการให้ทุนวิจัย ที่ประชุมได้ให้ความสำคัญของการพัฒนาบุคคลากรวิจัย โดยอาจเริ่มจากการสร้าตำแหน่ง Post-doc ที่มีประสบการณ์จากต่างประเทศในการวัดและวิเคราะห์ระบบการสังเคราะห์แสง และทำงานร่วมกับนักวิจัยไทย ในแง่ของบัณฑิตศึกษาอาจมีโครงการลักษณะคล้าย โครงการกาญจนาพิเศษเพื่อให้นักศึกษามีประสบการณ์วิจัยร่วมกับห้องปฏิบัติการที่เชียวชาญด้านนี้ ในต่างประเทศร่วมทั้งการให้ทุนอาจารย์ที่มีศักยภาพไปเยี่ยม, ดูงาน หรือฝึกงานในห้องปฏิบัติการที่เชียวชาญในต่างประเทศ

 

การจัดลำดับความสำคัญ ที่ประชุมให้ความสำคัญของการปรับปรุงพันธุ์ข้าวเพื่อลดการหายใจเชิงแสง(photorespiration) และ การยับยั้งการสังเคราะห์แสง(photoinhibition)เท่าเทียมกัน โดยมองเห็นศักยภาพของฐานพันธุกรรมข้าวสองชนิดคือ ฐานพันธุกรรมข่าวไร่(ทั้งเขตที่สูงและภาคใต้) และประชากรข้าวกลายพันธุ์ โดยเฉพาะข้าวพันธุ์กลายที่ทนร้อนในระดับมากกว่า 40 - 48 oC ในเบื้องต้นก็มีโครงการข้าวทนร้อนในระยะสืบพันธุ์ของข้าวนำโดย ดร.พูนพิภพ (ARDA) ได้ข้าวพันธุ์กลายที่ทนร้อนสามารถติดเมล็ดที่ระดับอุณหภูมิ 42 oC เพื่อที่จะได้ข้าวพันธุกรรมทนร้อนในระดับการสังเคราะห์แสงจำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคนิคการคัดกรองพันธุ์ข้าวจำนวนมากในสภาวะอุณหภูมิสูงที่จะเกิด photorespiration/photoinhibition ได้ เช่น การวัด Chlorophyll fluorescence อย่างรวดเร็ว และการมีระบบตรวจวัดอัตโนมัติ เช่น Trademill system เป็นต้น

 

Tags:
© 2017 Rice Science Center & Rice gene Discovery
ศูนย์วิทยาศาสตร์ข้าวและหน่วยปฏิบัติการค้นหาและใช้ประโยน์ยีนข้าว
ถนนมลัยแมน เลขที่ 1 หมู่ 6 ต.กำแพงแสน อ.กำแพงแสน
จ.นครปฐม 73140 โทร 034-355-192

Mobile Menu

Free Joomla! templates by AgeThemes