Vai trò điều tiết của gen ZmSTOMAGEN1/2 trong sự phát triển khí khổng cây bắp được minh chứng thông qua chỉnh sửa gen và phổ biểu hiện metabolome

 Vai trò điều tiết của gen ZmSTOMAGEN1/2 trong sự phát triển khí khổng cây bắp được minh chứng thông qua  chỉnh sửa gen và phổ biểu hiện metabolome

Nguồn: Juan-Juan Xu, Qing-Yun Chen, Li-Fang Qin, Yuan Liu, You-Zhi Li, Xian-Wei Fan. 2025. The regulatory role of ZmSTOMAGEN1/2 in maize stomatal development is elucidated via gene editing and metabolic profiling. PLOS One; July 14, 2025; https://doi.org/10.1371/journal.pone.0328433

Sự phát triển khí khổng được tiến hành qua trung gian EPIDERMAL PATTERNING FACTORs (EPFs), một họ protein có những peptides được tiết ra bao gồm STOMAGEN/EPFL9 của cây Arabidopsis. Để làm rõ chức năng của STOMAGEN orthologues (gen đồng dạng) trong cây bắp (Zea mays), người ta tạo ra một đột biến “double knockout” của gen ZmSTOMAGEN1 và ZmSTOMAGEN2 nhờ hệ thống CRISPR/Cas9. Phân tích kiểu hình đầy đủ cho thấy đột biến zmstomagen1/2 biểu thị khiếm khuyết trong phát triển khó khổng, đó là mất hoàn toàn khi khổng giữa những tế bào biểu bì trong tập tin loại hình khí khổng và phức không bình thường của khí khổng có tế bào thùy nhỏ. Những tế bào bất thường như vậy có khả năng phát sinh từ sự phân chia không đối xứng thất bại của tế bào mẹ  bảo vệ, cuối cùng ngăn chận sự sự thanh của những phức có chức năng của khí khổng.

Đột biến “double knockout” gen ZmSTOMAGEN1/2  làm giảm sự biểu hiện của gen SPEECHLESS1 (SPCH1), MUTE, SCREAM2 (SCRM2), và STOMATAL DENSITY AND DISTRIBUTION1 (SDD1), làm suy yếu sự khởi nguyên của khí khổng và làm chuyển đổi số phận tế bào của tế bào loại hình khí khổng sớm. Đột biến này làm mật độ khí khổng ít hơn và chỉ số nhỏ hơn, dẫn đến làm suy giảm hiệu suất quang hợp thuần, tốc độ thoát hơi nước, và độ dẫn của khí khổng nhưng làm tăng hiệu quả sử dụng nước (WUE). So với dòng nguyên thủy WT (wild-type) (HiII-A × HiII-B), đột biến zmstomagen1/2 biểu thị những thay đổi đáng kể trong sinh lý học “phytohormone homeostasis” (bảo hòa điều hòa sinh trưởng thực vật). Đó là sự mất cân bằng brassinosteroid metabolite (tăng typhasterol, decreased castasterone) và điều tiết gibberellin đặc hiệu (tăng GA4, giảm GA1). Những rối loạn hormone này cho thấy sự suy yếu quá trình hình thành khí khổng trong đột biến zmstomagen1/2 từ việc gián đoạn nhiễu giữa nhiều hệ thống truyền tín hiệu hormone. Kết quả cho thấy vai trò cực trọng của ZmSTOMAGEN1/2 trong điều tiết số phận tế bào trong khí khổng đặc biệt và cung cấp một chiến lược làm sao tăng cường hiệu quả sử dụng nước (WUE) trong cây bắp bằng thao tác biểu hiện gen ZmSTOMAGEN1/2.

Xem https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0328433

Sơ đồ hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 và tiến trình chuyển nạp.