CÁC CON ĐƯỜNG SINH TỔNG HỢP CỦA CÁC THÀNH PHẦN TRẦM HƯƠNG

Sự hình thành Trầm hương có thể liên quan đến cơ chế tự bảo vệ của cây Dó Bầu (Aquilaria) để đối phó với các áp lực sinh học và phi sinh học (Gao và cộng sự, 2012b; Singh và Sharma, 2015). Căng thẳng kích hoạt các phản ứng phòng vệ của các loài Dó bầu, từ đó bắt đầu sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp và tích tụ nhựa trầm hương, hình thành nên các thành phần Trầm hương.

Trước đây, chúng tôi đã đề cập rằng sesquiterpenes và các dẫn xuất PEC là những thành phần chính trong trầm hương. Do đó, điều tối quan trọng là phải hiểu con đường trao đổi chất để điều hòa và sinh tổng hợp sesquiterpenes và các dẫn xuất chromone trong các loài Aquilaria để tạo ra trầm hương một cách hiệu quả.

Ở thực vật, các tiền chất isoprenoid để sinh tổng hợp sesquiterpenes, triterpenes và sterol thường được cho là được cung cấp từ con đường axit mevalonic (MVA) trong bào tương. Trong plastids, con đường 1-deoxy-D-xylulose-5-phosphate (DXP) hoặc được gọi là methylerythritol phosphate (MEP) cung cấp tiền chất để sản xuất monoterpen, diterpenes và carotenoid (Rohmer, 1999; Dong và cộng sự, 2015 ; Singh và Sharma, 2015).

Hai con đường này sinh tổng hợp tiền chất isoprenoid đồng phân C5, đó là isopentenyl pyrophosphat (IPP) và đồng phân allylic electrophin của nó là dimethylallyl pyrophosphat (DMAPP). Sự trao đổi IPP và DMAPP đã được quan sát thấy xảy ra giữa plastids và cytosol ngay cả với sự phân vùng không gian của hai con đường (Dong và cộng sự, 2015).

Việc sản xuất tiền chất IPP và DMAPP từ pyruvate và acetyl-CoA liên quan đến một loạt các enzym theo con đường tương ứng (Hình 4). Các gen mã hóa cho các enzym này đã được xác định từ các loài Aquilaria thông qua phân tích trình tự phiên mã (Xu et al., 2013; Ye et al., 2016).

Các đơn vị isoprene C5 này sau đó sẽ được chuyển vào thế hệ C15 farnesyl pyrophosphate (FPP) bằng các phản ứng ngưng tụ tuần tự với sự có mặt của FPP synthase (FPS) (Rohmer, 1999; Yang và cộng sự, 2013; Ye và cộng sự, 2016) . FPS là một trong những enzym giới hạn quan trọng chịu trách nhiệm cho quá trình sinh tổng hợp sesquiterpene (Gaffe và cộng sự, 2000; Yang và cộng sự, 2013; Liu X. M. và cộng sự, 2017).

Các gen mã hóa FPS đã được nhân bản từ Aquilaria microcarpa (Am-FaPS-1) (Kenmotsu và cộng sự, 2011) và Aquilaria sinensis (AsFPS1) (Yang và cộng sự, 2013). Mức độ phiên mã của AsFPS1 được báo cáo là cao hơn ở thân và rễ so với lá, cho thấy rằng quá trình tổng hợp sesquiterpene ở các loài Aquilaria có xu hướng đặc trưng cho mô. Bên cạnh đó, sự biểu hiện của Am-FaPS-1 được chứng minh là được điều chỉnh khi tiếp xúc với methyl jasmonate (MeJA), chiết xuất nấm men và Ca2 + -ionophore A23187, cho thấy rằng hai hóa chất trước đây có hiệu quả để bắt đầu con đường sinh tổng hợp sesquiterpene trong khi Ca2 + có thể hoạt động như một phân tử tín hiệu trong quá trình kích hoạt (Kenmotsu và cộng sự, 2011). Điều này cung cấp manh mối cho sự xúc tác nhân tạo của sự hình thành Trầm hương thông qua các phương pháp tiếp cận được xúc tác hóa học ngoại sinh bằng cách kích hoạt con đường sinh tổng hợp sesquiterpene trong cây Dó Bầu.

Sơ đồ mối quan hệ giữa các cơ chế truyền tín hiệu do vết thương gây ra cho quá trình sinh tổng hợp và điều hòa sesquiterpene ở các loài Aquilaria để sản xuất trầm hương. Các kích thích bên ngoài kích hoạt con đường tín hiệu Ca2 + và tạo ra phản ứng phòng vệ của các loài Aquilaria thông qua con đường hydrogen peroxide (H2O2), tín hiệu ethylene (ET), tín hiệu axit Jasmonic (JA) và tín hiệu axit salicylic (SA).

Điều trị MeJA kích hoạt sản xuất H2O2 có thể gây chết tế bào theo chương trình (PCD) và tăng tổng hợp sesquiterpene. Các phân tử tín hiệu này kích hoạt các yếu tố phiên mã như MYB, MYC, và WRKY, các yếu tố này sẽ liên kết với nguyên tố cis trên trình tự khởi động của các gen sinh tổng hợp terpen trong con đường axit mevalonic (MVA) và methylerythritol phosphate (MEP) và cả tecpen hạ lưu, gen tổng hợp (TPs). Tương tác trực tiếp và gián tiếp được hiển thị dưới dạng đường liền nét và đường chấm, tương ứng. AACT, acetyl-CoA C-acetyl transferase; HMGS, hydroxymethylglutaryl (HMG) -CoA tổng hợp; HMGR, HMG-CoA reductase; MK, mevalonate kinase; MPK, phosphomevalonate kinase; MDD, mevalonat diphosphat decarboxylase; DXP, 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate; DXS, DXP ​​cú pháp; DXR, DXP ​​reductoisomerase; CMK, 4- (cytidine 50-diphospho) -2-C-methyl-D-erythritol kinase; MCS, 2-C-metyl-D-D-erythritol-2,4-cyclo diphosphat tổng hợp; HDS, (E) -4-hydroxy-3-metylbut-2-enyl diphosphat tổng hợp; IDS, isopentenyl diphosphat tổng hợp; GPS, geranyl disphosphate synthase; GGPS, geranylgeranyl diphosphat tổng hợp.

Trong giai đoạn cuối cùng của quá trình sản xuất sesquiterpenes, các enzym chịu trách nhiệm cho sự đa dạng hóa của sesquiterpene chủ yếu đến từ các lớp tổng hợp sesquiterpene (SesTPs) và mono-oxygenase phụ thuộc cytochrome P450 (P450s). Các enzym SesTP chịu trách nhiệm xúc tác sự hình thành các phức hợp giàn giáo đa vòng từ FPP, tiếp theo là quá trình oxy hóa chức năng của các khung tạo thành bởi các enzym cytochrom P450. Các nhóm hydroxyl được thêm vào bởi P450s có thể đóng vai trò là các tay cầm phân tử để sửa đổi thêm, chẳng hạn như alkyl hóa, este hóa và bổ sung phần bã đường (Pateraki và cộng sự, 2015).

Ngoài ra, các enzym P450 thực hiện quá trình hydroxyl hóa đặc hiệu nổi trên xương sống hydrocacbon, điều này rất quan trọng đối với các nguyên tắc mới và các sửa đổi sâu hơn của các phân tử sesquiterpene, chưa bao giờ được báo cáo từ các loài Aquilaria cho đến nay. Tương tự, các sản phẩm oxy hóa cytochrome P450 phụ thuộc NADPH (POR) trong Aquilaria hoạt động như các đối tác oxy hóa khử của hoạt động xúc tác P450s về cơ bản vẫn chưa được khám phá. Một số nghiên cứu đã được báo cáo để tách các gen mã hóa cho SesTPs từ Aquilaria, đây có thể được coi là những nỗ lực ban đầu để nghiên cứu các SesTP liên quan đến sự hình thành trầm hương (Kumeta và Ito, 2010; Xu và cộng sự, 2013).

Trong nghiên cứu của Kumeta và Ito (2010), 5 gen mã hóa cho các enzym tổng hợp sesquiterpene có trình tự axit amin rất giống nhau đã được phân lập từ Aquilaria crassna. Ba trong số các gen này đã được biểu hiện thành công ở Escherichia coli và chuyển FPP bằng enzym thành δ-guaiene như sản phẩm chính của chúng. Bên cạnh đó, ba gen tổng hợp sesquiterpene khác (ASS1, ASS2 và ASS3) được xác định từ A. sinensis thông qua giải trình tự transcriptome đã được tiết lộ để mã hóa các enzym sản xuất δ-guaiene (Xu và cộng sự, 2013). Sự phân lập của các gen SesTP cũng được mô tả ở A. malaccensis, nơi mà biểu hiện theo thời gian và không gian của hai SesTP được báo cáo trong nghiên cứu, tức là guaiene (AmGuaiS1) và tổng hợp sesquiterpene (AmSesTPS1), đã được làm sáng tỏ (Azzarina và cộng sự, 2016 ).

AmSesTPS1 được phát hiện có biểu hiện cao sau 6 giờ quấn dây trong khi AmGuaiS1 được tạo ra sau 2 giờ quấn với cường độ cao hơn lần lượt 18 và 5,5 lần so với đối chứng không bị ràng buộc. Gần đây, một gen tổng hợp sesquiterpene mới (As-sesTPS) đã được phân lập từ A. sinensis nơi As-sesTPS tái tổ hợp đã xúc tác FPP thành nerolidol (Ye và cộng sự, 2018). Phân tích biểu hiện cho thấy mức độ phiên mã của As-sesTPS trong gỗ trầm hương cao hơn nhiều so với gỗ khỏe mạnh, ngụ ý rằng gen này có thể tham gia vào quá trình hình thành trầm hương. Mặc dù thực tế là nhiều hợp chất sesquiterpene đã được phát hiện từ trầm hương, các SesTPs tương ứng chịu trách nhiệm sản xuất chúng vẫn chưa được báo cáo từ Trầm hương. Vì lý do đó, các con đường sinh tổng hợp sesquiterpene liên quan đến chức năng hóa các tecpen trong Aquilaria cần được làm rõ thêm.

Mặt khác, chromones là một nhóm lớn các chất chuyển hóa thứ cấp với các chỉ định điều trị tiềm năng trên phạm vi rộng đối với điều hòa miễn dịch, viêm, ung thư, tiểu đường, tình trạng thần kinh, nhiễm trùng do vi khuẩn và virus (Khadem và Marles, 2011; Yang và cộng sự, 2012; Tawfik và cộng sự, 2014). Chromone có nguồn gốc từ một hợp chất hữu cơ đa vòng cụ thể là vòng benzopyran, với sự thay thế nhóm xeton trên vòng oxime của nó. Thông thường, người ta tin rằng sự hình thành cromon diễn ra do sự hội tụ của nhiều con đường sinh tổng hợp chất chuyển hóa thứ cấp liên quan đến con đường pentaketide, con đường axit shikimic và việc bổ sung gốc nitơ từ các axit amin hoặc các nguồn khác (Khadem và Marles, 2011). Do các đặc tính dược lý mở rộng liên quan đến cấu trúc vòng hai vòng của nó, cromon đã được sử dụng như một giá đỡ đặc quyền trong việc phát triển các loại thuốc mới (Reis và cộng sự, 2017).

PEC là một nhóm nhỏ của các chromon, chứa nhóm thế phenylethyl ở vòng C2 của vòng benzopyran của chromone đã xảy ra là đặc biệt về cấu trúc trong họ (Ibrahim và Mohamed, 2015). Cho đến nay, PECs mới chỉ được tìm thấy có mặt ở một số loài thực vật như Bothriochloa ischaemum (Wang và cộng sự, 2001), Imperata hình trụ (Liu X. và cộng sự, 2013), Cucumis melo L. (Ibrahim , 2014), Gyrinops salicifolia (Shao và cộng sự, 2016), và các loài Aquilaria (Wu và cộng sự, 2012b; Yang và cộng sự, 2014a). Gần đây, một sơ đồ giả thuyết cho con đường sinh tổng hợp của PECs đã được đề xuất bởi Liao và cộng sự (2018) dựa trên phân tích chi tiết các thành phần hóa học trầm hương bằng phương pháp GC-EL-MS và UPLC-ESI-MS / MS.

Trong nghiên cứu của họ, PECs được tìm thấy là thành phần chính của nhựa trầm hương, bao gồm chủ yếu là các chromones loại đá lửa 2 (2-phenylethyl) (FTPECs). Sự hình thành FTPECs được làm sáng tỏ thêm là có thể được xúc tác bởi polyketide synthase loại III (PKs) thông qua sự ngưng tụ của các chất tương tự dihydro-cinnamoyl-CoA và malonyl-CoA với 2-hydroxy-benzoyl-CoA để tạo ra khung PEC mà sau đó sẽ được xúc tác bởi hydroxylase hoặc O-methyltransferase (OMT) để tạo thành FTPEC đa dạng về cấu trúc (Liao và cộng sự, 2018). Nghiên cứu gần đây cho thấy stress do mặn có thể gây ra quá trình sinh tổng hợp PEC ở A. sinensis calli (Wang và cộng sự, 2016). Phân tích phiên mã của A. sinensis calli gây ra muối này đã xác định được một số gen ứng viên được điều chỉnh có khả năng tham gia vào quá trình sinh tổng hợp PEC, bao gồm ba gen mã hóa OMT (flavonol-OMT 1, flavonol-3-OMT và caffeoyl-CoA-OMT) và gen tổng hợp polyketide loại III mã hóa cho chalcone synthase 1 (AsCHS1).

Bất chấp những tiến bộ gần đây đã đạt được về hiểu biết về sinh tổng hợp PEC, cần có một nỗ lực to lớn để xác định bằng thực nghiệm các bước còn thiếu trong con đường sinh tổng hợp PEC phức tạp này. Ngay cả khi không có đủ kiến ​​thức về con đường sinh tổng hợp PEC chi tiết, việc tổng hợp nhân tạo cromon và một số dẫn xuất của nó vẫn khả thi do sự tiến bộ của các quá trình hóa học (Goel và Makrandi, 2006; Tawfik và cộng sự, 2014). Trầm hương là một nguồn dồi dào các dẫn xuất PEC đáng được nghiên cứu thêm để khám phá cấu trúc của các hợp chất chromone mới và nâng cao hiểu biết về cơ chế sinh tổng hợp của nó ở cấp độ phân tử.

CƠ CHẾ PHÁT TÍN HIỆU VÀ QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH TRẦM HƯƠNG

Trong tự nhiên, xác suất cây Trầm hương có chứa trầm hương là cực kỳ thấp (1–2%), chỉ có thể được tìm thấy trên những cây bị nhiễm bệnh hoặc bị thương (Cui và cộng sự, 2013; Chhipa và Kaushik, 2017). Do đó, có thể giả định rằng có một quá trình truyền tín hiệu xúc tác vết thương gây ra sự biểu hiện của các enzym tổng hợp sesquiterpene trước khi hình thành trầm hương. Để làm rõ mối quan hệ của việc truyền tín hiệu vết thương và điều chỉnh sự hình thành trầm hương, các nghiên cứu thông lượng cao về sự hình thành trầm hương gần đây đã được chú ý trong các nghiên cứu (Bảng 2). Sơ đồ cơ chế truyền tín hiệu được đề xuất trong quá trình sinh tổng hợp và điều hòa sesquiterpene ở các loài Aquilaria được cung cấp trong (Hình 4).

Con đường truyền tín hiệu protein kinase (MAPK) được kích hoạt bởi mitogen đã được đề xuất như là cơ chế truyền tín hiệu gây ra vết thương cho sự hình thành trầm hương ở A. sinensis, nó phosphoryl hóa các yếu tố phiên mã xuôi dòng (TF) như MYB hoặc WRKY mà cuối cùng dẫn đến sự biểu hiện của sesquiterpene synthase gen (ASSs) (Xu và cộng sự, 2013). Chuỗi tín hiệu MAPK bao gồm ba thành phần được kích hoạt tuần tự [MAPK kinase kinase (MAPKKK), MAPK kinase (MAPKKs) và MAPK], đây là cơ chế truyền tín hiệu được bảo tồn cao ở sinh vật nhân chuẩn trong việc điều hòa tín hiệu ngoại bào tới các gen đáp ứng hạ nguồn (Sinha và cộng sự, 2011; Xu C. và cộng sự, 2017). Xu và cộng sự. (2013) đã báo cáo rằng có tổng cộng 41 unigenes từ phân tích transcriptome của A. sinensis bị thương được chú thích là có liên quan đến con đường tín hiệu MAPK và 25 con đường tín hiệu canxi có thể đóng vai trò trong việc hình thành trầm hương do vết thương gây ra.

Ở thực vật, các ion canxi (Ca2 +) là các phân tử thông tin thứ cấp quan trọng trong tế bào để điều chỉnh nhiều con đường dẫn truyền tín hiệu phản ứng với các kích thích bên ngoài (Tuteja và Mahajan, 2007). Các nghiên cứu trước đó ở các loài thực vật khác đã chỉ ra rằng TFs là bộ điều chỉnh quan trọng trong các con đường tín hiệu phản ứng với căng thẳng để truyền tín hiệu đến các trung tâm tế bào khác nhau để kích hoạt các cơ chế thích nghi / bảo vệ của cây chống lại môi trường bất lợi, bao gồm các TF như bZIP, ERF, EIN3, MYB, MYC, và WRKY (Ambawat và cộng sự, 2013; Phukan và cộng sự, 2016; Schmiesing và cộng sự, 2016). Sự biểu hiện quá mức của AaWRKY1 ở Artemisia annua được phát hiện là đã điều chỉnh tích cực sự biểu hiện của gen tổng hợp amorpha-4,11-diene (ADS) và làm tăng đáng kể việc sản xuất artemisinin (Ma và cộng sự, 2009). Sự biểu hiện của TF GaWRKY bông cũng được chứng minh là điều hòa các gen tổng hợp sesquiterpene để sinh tổng hợp (+) – δ-cadinene và gossypol sesquiterpene (Xu và cộng sự, 2004).

Bên cạnh vết thương cơ học, MeJA là một chất kích thích hiệu quả để tăng hàm lượng sesquiterpenes trong Aquilaria (Xu và cộng sự, 2013, 2016; Xu Y. H. và cộng sự, 2017). Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sốc nhiệt có thể làm tăng sự biểu hiện của các gen liên quan đến quá trình sinh tổng hợp axit Jasmonic (JA), bao gồm xenlulaza oxit allene (AOC), enzym xenlulozit allene (AOS), lipoxygenase (LOX) và 12-oxophytodienoate reductase 3 (OPR3 ) gen, sau đó dẫn đến việc sản xuất JA và tích tụ sesquiterpene trong nuôi cấy tế bào huyền phù A. sinensis (Xu và cộng sự, 2016). Protein không nhạy cảm với A. sinensis coronatine 1 (AsCOI1), hoạt động như một thụ thể trong lộ trình truyền tín hiệu MeJA, đã được nhân bản và đặc trưng (Liao và cộng sự, 2015). Nghiên cứu biểu hiện của AsCOI1 đã chứng minh rằng gen được biểu hiện trong một mô hình cụ thể, cao nhất ở thân, sau đó là rễ và lá.

Các phát hiện cho thấy rằng sản xuất nhựa do các kích thích bên ngoài có thể phản ứng nhanh hơn ở thân cây Trầm hương. Gen AsCOI1 đáp ứng với việc điều trị sớm MeJA, vết thương cơ học và căng thẳng nhiệt. Việc áp dụng MeJA ở A. sinensis đã làm tăng mức độ biểu hiện của 17 gen liên quan đến tín hiệu vết thương, bao gồm TFs WRKY4 và MYB4, protein kinases CAPKs, MAPKs và MAPKK, NADPH oxidase noxB và một số chất điều hòa liên quan đến các phân tử tín hiệu MeJA, ethylene và hydro peroxide (Xu và cộng sự, 2013). Điều thú vị là hydrogen peroxide (H2O2) tạo ra NADPH oxidase noxB được phát hiện được điều chỉnh tăng đáng kể bởi phương pháp xử lý MeJA (Xu và cộng sự, 2013; Gong và cộng sự, 2017), phù hợp với những phát hiện rằng MeJA kích hoạt H2O2 sản xuất ở thực vật (Orozco-Cardenas et al., 2001; Hung et al., 2006). Một nghiên cứu về nuôi cấy huyền phù của A. sinensis tiết lộ rằng H2O2 có thể gây ra quá trình chết tế bào theo chương trình (PCD) và tổng hợp sesquiterpene bằng cách biểu hiện cao các gen ASS do sự tích tụ nội sinh của axit salicylic (SA) (Liu và cộng sự, 2015).

Trong khi đó, biểu hiện của chuỗi tổng hợp sesquiterpene ASS1 đáp ứng jasmonate ở A. sinensis được mô tả là được điều chỉnh bởi TF AsMYC2 (Xu Y. H. và cộng sự, 2017). Là một gen đáp ứng sớm-ngay lập tức đối với điều trị MeJA, AsMYC2 liên kết với promoter ASS1 có chứa mô-típ hộp G để bắt đầu biểu hiện ASS1. Tương tự, chất tương đồng của AsMYC2 trong Arabidopsis (MYC2) được chứng minh là đáp ứng MeJA và điều chỉnh tăng sự biểu hiện của hai cú pháp sesquiterpene (TPS11 và TPS21) khi điều trị (Hong và cộng sự, 2012). Ngoài ra, xử lý MeJA đã gây ra sự tổng hợp thành công 3 sesquiterpenes, đó là α-guaiene, α-humulene và δ-guaiene trong nuôi cấy tế bào A. crassna (Ito và cộng sự, 2005; Kumeta và Ito, 2010).

Ngược lại với con đường sinh tổng hợp sesquiterpene, quá trình sinh tổng hợp và điều hòa PECs hầu như vẫn chưa được biết đến. Trong nghiên cứu của Wang et al. (2016), bốn mươi mốt PEC đã được sản xuất ở A. sinensis calli bằng phương pháp xử lý muối. Với sự trợ giúp của phân tích bảng mã thông lượng cao, đã thu được tổng cộng 18.069 bảng điểm được biểu hiện khác biệt giữa đối chứng và A. sinensis calli được xử lý bằng NaCl gây ra bởi stress mặn 24 hoặc 120 giờ. Nhiều gen biểu hiện khác biệt được báo cáo là có liên quan đến quá trình truyền tín hiệu hormone; bao gồm các gen mã hóa cho các tầng MAPK, các kinase giống thụ thể, các yếu tố phiên mã và truyền tín hiệu Ca2 + (Wang và cộng sự, 2016).

Tuy nhiên, tốc độ nghiên cứu không chỉ dừng lại ở việc tìm kiếm các chất xúc tác hiệu quả và quá trình truyền tín hiệu cơ bản của chúng, mà còn mở rộng sang cơ chế điều hòa sau phiên mã của chúng. Bằng cách giải trình tự sâu các sRNA từ các mẫu đối chứng khỏe mạnh và các mẫu bị thương của A. sinensis, Gao et al. (2012a) đã xác định được mười miRNA đáp ứng với căng thẳng từ 74 miRNA được bảo tồn giả định và các tiền chất hình thành kẹp tóc của chúng cũng đã được xác nhận. Mô hình biểu hiện cho thấy sáu trong số các miRNA đáp ứng với căng thẳng này được điều chỉnh tăng, bao gồm miR159, miR168, miR171, miR396, miR397 và miR408, trong khi miR160 và miR398 được điều chỉnh giảm và tiếp tục mức độ giảm của chúng ở thời điểm 2 ngày (Gao et al., 2012a). Các phản ứng khác nhau của các miRNA phản ứng với việc điều trị và hiệu quả kéo dài trong các khoảng thời gian khác nhau phản ánh sự đa dạng về vị trí của chúng trong cơ chế điều hòa phản ứng vết thương sau phiên mã ở A. sinensis. Trong số các miRNA đã được xác định, miR398 điều chỉnh giảm được quan tâm khi nó được chứng minh là có khả năng điều chỉnh tiêu cực sự lắng đọng callose do mầm bệnh (PAMP) kích hoạt và khả năng miễn dịch bẩm sinh của thực vật chống lại vi khuẩn (Li và cộng sự, 2010). Các miR160 và miR398 ở A. sinensis phản ứng trái ngược nhau gợi ý rằng chúng có thể là những chất điều tiết quan trọng và đóng một vai trò khác biệt hơn đối với sự hình thành trầm hương.

Nghiên cứu sâu hơn về cấu hình miRNA của A. sinensis bị thương cho thấy rằng một số miRNA được bảo tồn nhiều nhất như họ miR159 và miR396 tăng và giảm xuống nhanh chóng trong thời gian đầu điều trị ngụ ý chức năng của chúng ở đầu nguồn của các phản ứng vết thương (Gao ZH và cộng sự, 2014). MiR396b2 được điều chỉnh giảm trong các mô bị thương của A. sinensis được cho là có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp và tích tụ các thành phần trầm hương. Mục tiêu của miR396b2, có hoạt tính glutamyl-tRNA reductase, được cho là liên kết NADP và tạo ra NADPH. NADPH là đồng yếu tố cho hai enzym quan trọng trong sinh tổng hợp terpene, tức là 1-deoxy-D-xylulose 5 phosphate (DXR) và 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA (HMGR) (Nagegowda, 2010). Hơn nữa, P450s thực vật có chức năng oxy hóa các giàn terpene cũng yêu cầu các chất khử cho hoạt tính xúc tác của nó, thường được cung cấp bởi NADH hoặc NADPH. Mặc dù trong tình trạng thiếu bộ gen được giải trình tự, phân tích bản mã thông lượng cao cung cấp một phương pháp khả thi để kiểm tra những thay đổi tổng thể của biểu hiện gen trên các loài Aquilaria phản ứng với nhiều loại căng thẳng. Điều tra sâu hơn về chức năng của các trình tự điều hòa đã được xác định sẽ giúp khám phá cơ chế điều tiết của sự hình thành trầm hương.

TRIỂN VỌNG TƯƠNG LAI CỦA CÔNG NGHỆ XÚC TÁC TRẦM HƯƠNG

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng sự hình thành trầm hương có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Cùng với thành phần nhựa trầm cực kỳ phức tạp, người ta tin rằng quá trình hình thành trầm hương là một quá trình phức tạp liên quan đến một loạt các thay đổi sinh lý xảy ra trên cây Trầm hương để đối phó với các kích thích bên ngoài dưới dạng sinh học hoặc phi sinh học. Toàn bộ quá trình hình thành trầm hương này trong mọi trường hợp đều không thể tách rời phản ứng biểu hiện gen của cây đối với các yếu tố kích hoạt. Do đó, việc cải tiến công nghệ xúc tác trầm hương trong tương lai cần nhấn mạnh vào hai khía cạnh là nâng cao hơn nữa hiệu quả xúc tác và sàng lọc các dòng Trầm hương đáp ứng tốt hơn để sản xuất nhựa theo chương trình nhân giống.

Để nâng cao hiệu quả xúc tác, kỹ thuật xúc tác đóng một vai trò quyết định. Khái niệm về các phương pháp tiếp cận xúc tác hiện có có thể được tóm tắt là cung cấp các kích thích bên ngoài để kích hoạt sản xuất các phân tử tín hiệu thực vật cuối cùng dẫn đến sinh tổng hợp nhựa, hoặc bỏ qua các kích thích bên ngoài thông qua việc đưa trực tiếp các phân tử tín hiệu vào cây. Trong bất kỳ trường hợp nào, mối quan tâm chung là tăng năng suất và chất lượng trầm hương cũng như giảm sự can thiệp của con người (ví dụ, quá trình holing) trong quá trình xúc tác. Vì phương pháp làm vết thương vật lý và phương pháp xúc tác sinh học nói trên có những nhược điểm không thể tránh khỏi là chất lượng trầm hương không nhất quán và đòi hỏi lực lượng lao động chuyên sâu, phương pháp xúc tác hóa học có thể được coi là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để tối ưu hóa hơn nữa (Bảng 1). Sự hiểu biết toàn diện về sự hình thành trầm hương ở cấp độ phân tử thông qua thông lượng cao bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận omics như trancriptomic và chuyển hóa dường như có lợi cho việc cải thiện có mục tiêu và định hướng công thức xúc tác hơn là các thử nghiệm dựa trên thử nghiệm và sai sót.

Bằng cách kết hợp với các phương pháp tiếp cận omics như công nghệ giải trình tự thời gian thực phân tử đơn (SMRT) cung cấp độ dài đọc dài hơn và các cụm de novo liền kề cao (Rhoads và Au, 2015), do đó nó có xu hướng đặc biệt hữu ích cho các vấn đề chưa được giải quyết trong bộ gen và bản sao của các loài Aquilaria không theo mô hình mà bộ gen của chúng không có sẵn. Với các lần đọc dài hơn, có thể dễ dàng thu được trình tự điều hòa không mã hóa có tính lặp lại cao của các gen kiểm soát việc sản xuất nhựa trầm hương có thể dễ dàng thu được. Sự tương đồng / tích hợp dựa trên nhận dạng trình tự có thể được sử dụng để thiết lập các tập dữ liệu tham chiếu chéo giữa các trình tự truy vấn và các tham chiếu tương đồng của chúng từ các cơ sở dữ liệu công cộng và nguồn gen khác nhau, trong đó cấu trúc trình tự gen, đặc điểm miền, vùng khởi động và bản thể học gen cho các mô-típ có thể được chỉ định (Mochida và Shinozaki, 2011). Sự phát triển của công nghệ giải trình tự đã giúp cho việc nghiên cứu giải trình tự toàn bộ bộ gen của các loài Aquilaria trong tương lai trở nên dễ dàng hơn, lấp đầy sự thiếu hụt thông tin toàn bộ bộ gen trong tình hình hiện nay. Tích hợp dữ liệu dựa trên trình tự bộ gen là quan trọng để cho phép phân tích những thay đổi toàn cầu của bộ phiên mã thông qua toàn bộ vi bộ gen. Phân tích biểu hiện gen của Aquilaria xúc tác ở mức độ toàn bộ có thể được kiểm tra theo các xu hướng phối hợp rộng rãi bằng cách tiếp cận này, điều này không thể xác định được bằng các xét nghiệm riêng lẻ. Các cấu hình biểu hiện thu được theo cách này sẽ giúp xác định các gen đánh dấu sinh học tạo ra trầm hương tiềm năng là các chỉ số quan trọng cho các ứng dụng hạ nguồn của xúc tác trầm hương.

Sự tích hợp của các phương pháp tiếp cận sinh học và omics hệ thống, bao gồm hệ gen, transcriptomics, proteomics, chuyển hóa và phân tích chức năng; cung cấp một giải pháp tiềm năng để hiểu được bản chất đa nguyên của quá trình sinh tổng hợp nhựa trong Aquilaria. Trên cơ sở một số lượng lớn các thí nghiệm xúc tác trầm hương, nghiên cứu phiên mã và chất chuyển hóa đã được thực hiện trước đây (Naef, 2011; Gao X. và cộng sự, 2014; Ye và cộng sự, 2016; Wu và cộng sự, 2017), phân tích omics tích hợp có thể thực sự đóng vai trò như một nền tảng để xây dựng một bức tranh toàn diện hơn về cơ chế sinh tổng hợp nhựa trầm hương liên quan đến các lớp omics khác nhau.

Sự phát triển của khối phổ thông lượng cao (MS), microarray và công nghệ giải trình tự (DNA và RNA) đã làm cho nó có thể tích hợp dữ liệu đó vào một khung sinh học hệ thống thông qua tích hợp-omics, giúp dự đoán tương tác gen-gen, xác định trình điều khiển gen và các dấu hiệu phân tử của sự hình thành trầm hương. Tương tự như vậy, các phân tử tín hiệu tiềm năng cho sự hình thành trầm hương có thể được dự đoán sau khi lượng dữ liệu sẵn có tăng lên đáng kể này. Các phân tử tín hiệu hiệu quả đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm có thể được thêm vào công thức hiện có của chất xúc tác hóa học để nâng cao hơn nữa hiệu suất xúc tác. Hơn nữa, việc xác định trước thành phần nhựa hoặc chất lượng trầm hương có thể hình dung được với sự hiểu biết sâu sắc về các chỉ tiêu chất lượng chính và các con đường cụ thể liên quan đến sản xuất trầm hương bằng cách làm sáng tỏ tích hợp các cấu hình chuyển hóa và bản ghi khác nhau theo các phương pháp xúc tác khác nhau. Việc cải thiện hiệu quả xúc tác trầm hương trong tương lai nên đi kèm với việc phát triển hệ thống giám sát để phát hiện sớm những cây không đáp ứng, có thể tránh việc chặt hạ những cây Trầm hương không thành công. Điều này có thể đạt được bằng cách theo dõi sự biểu hiện của một bộ gen liên quan đến quá trình sinh tổng hợp nhựa trầm hương.

Sơ đồ trình bày việc áp dụng các phương pháp tiếp cận omic trong việc phát triển các chất cảm ứng trầm hương. PacBio, Pacific Biosciences; Illumina, giải trình tự Illumina; Pyroseq, pyrosequencing; RNAseq, giải trình tự RNA; Điện di trên gel polyacrylamide 2D-PAGE, 2 chiều; DIGE, điện di gel vi phân; ChIP seq, giải trình tự kết tủa miễn dịch nhiễm sắc thể; GC-MS, sắc ký khí-khối phổ; LC-MS, sắc ký lỏng-khối phổ; NMR, cộng hưởng từ hạt nhân.

Bên cạnh chất xúc tác hiệu quả, khả năng đáp ứng của cây Dó Bầu đối với kích thích là một yếu tố quyết định khác để sản xuất trầm hương. Bởi, biết rằng mức độ phản ứng của thực vật đối với các kích thích phần lớn phụ thuộc vào cấu tạo di truyền của chúng, việc sử dụng dòng Dó Bầu có khả năng đáp ứng cao làm mục tiêu cảm ứng được kỳ vọng sẽ làm tăng thêm năng suất trầm hương thay vì chỉ tối ưu hóa công thức cảm ứng.

Thông thường, nhân giống chọn lọc dựa trên chọn lọc kiểu hình đã được áp dụng để phát triển các dòng cây trồng mới với các đặc điểm mong muốn. Công nghệ hiện tại liên kết các đặc điểm có lợi này của thực vật với các dấu hiệu di truyền (biến thể DNA / RNA) hoặc sinh hóa (chất chuyển hóa đặc trưng) để cho phép chọn lọc có hỗ trợ đánh dấu (MAS). Cách tiếp cận của MAS mang lại một hứa hẹn tuyệt vời cho việc lựa chọn các dòng Aquilaria ưu tú vì những dấu ấn sinh học này có thể được áp dụng để dự đoán các đặc điểm kiểu hình trước khi các đặc điểm này phát triển thành đáng chú ý hơn.

Các dấu ấn sinh học như vậy cũng có thể được sử dụng để phát triển các xét nghiệm chẩn đoán nhanh và nhắm mục tiêu sẽ hỗ trợ chương trình lựa chọn. Là một giải pháp thay thế để có được dòng năng suất cao, phương pháp kết hợp giữa kỹ thuật di truyền (ví dụ: công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR-Cas9) với nuôi cấy mô có thể tạo ra khả năng điều khiển các gen điều hòa chính của Aquilaria liên quan đến sản xuất trầm hương sẽ giúp để tinh chỉnh hoặc chuyển hướng dòng trao đổi chất đến các con đường trao đổi chất mong muốn.

Nhìn chung, một chiến lược tích hợp và thông lượng cao sẽ cung cấp đầy đủ thông tin để cải tiến liên tục các phương pháp cảm ứng bằng trầm hương, vượt trội hơn so với cách thiết lập phương pháp cảm ứng truyền thống dựa vào quan sát trực quan và kinh nghiệm cá nhân. Một cái nhìn sâu sắc hơn về các hợp chất thiết yếu và cơ chế sinh tổng hợp của thành phần trầm hương sẽ giúp dễ dàng kiểm soát sự ổn định của sản lượng, chất lượng và giá cả trầm hương trong tương lai.

Nguồn: Báo cáo khoa học về Trầm Hương của các tác giả:

• Gao và cộng sự, 2012b;

• Singh và Sharma, 2015

• Rohmer, 1999;

• Dong và cộng sự, 2015 ;

• Xu và cộng sự, 2013;

• Ye và cộng sự, 2016

• Rohmer, 1999;

• Yang và cộng sự, 2013;

• Gaffe và cộng sự, 2000;

• Liu X. M. và cộng sự, 2017

• Kenmotsu và cộng sự, 2011

• Azzarina và cộng sự, 2016

• Khadem và Marles, 2011;

• Yang và cộng sự, 2012;

• Tawfik và cộng sự, 2014

• Reis và cộng sự, 2017

• Ibrahim và Mohamed, 2015

• Wang và cộng sự, 2001

• Liu X. và cộng sự, 2013,

• Cucumis melo L. (Ibrahim , 2014

• Shao và cộng sự, 2016

• Wu và cộng sự, 2012b;

• Yang và cộng sự, 2014a

• Liao và cộng sự, 2018

• Goel và Makrandi, 2006;

• Cui và cộng sự, 2013;

• Chhipa và Kaushik, 2017

• Sinha và cộng sự, 2011;

• Xu C. và cộng sự, 2017

• Tuteja và Mahajan, 2007

• Ambawat và cộng sự, 2013;

• Phukan và cộng sự, 2016;

• Schmiesing và cộng sự, 2016

• Ma và cộng sự, 2009

• Xu Y. H. và cộng sự, 2017

• Hong và cộng sự, 2012

• Ito và cộng sự, 2005; Kumeta và Ito, 2010

• Li và cộng sự, 2010

• Rhoads và Au, 2015

• Mochida và Shinozaki, 2011

• Naef, 2011;

• Gao X. và cộng sự, 2014;

• Ye và cộng sự, 2016;

• Wu và cộng sự, 2017

• Và NCBI (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6374618/)

Tham khảo thêm:

• Công dụng của Tinh Dầu Trầm Hương;
• Quy trình chiết suất, sản phẩm Tinh dầu Trầm Hương;
• Trầm Hương: Hiện Tại và Tương Lai