Giải mã thành công bộ gen cây đậu nành

Ngày 13/1, các nhà khoa học đã giải mã được bộ gen đậu nành. Đây là kết quả nghiên cứu kéo dài 15 năm của 18 tổ chức, hầu hết là của Mỹ. 

Đáng chú ý nhất là phát hiện về gen kháng bệnh gỉ sắt châu Á, một loại bệnh phá hoại tới 80% vụ mùa. Phát hiện quan trọng thứ hai liên quan đến triển vọng sản xuất dầu sinh học từ đậu nành. Bà Molly Jahn, quan chức Bộ Nông nghiệp Mỹ cho biết kết quả giải mã bộ gen đậu nành sẽ giúp con người hiểu biết sâu sắc hơn, từ đó tìm ra các biện pháp nâng cao sản lượng và khả năng phòng bệnh cho loại cây nằm trong nhóm cây lương thực quan trọng nhất của thế giới này. 

Gen GmEXP1 của các giống đậu nành nghiên cứu đã được tách dòng thành công và xác định trình tự nucleotide, vùng mã hoá của gen có kích thước 768 nucleotide mã hoá 255 amino acid.

Cấu trúc không gian đặc thù của GmEXPA1 (A) có bảy vị trí amino acid then chốt là 56G, 133L, 172L, 184G, 190S, 192T và 196P tương tác với nhau. Trong đó, bốn vị trí amino acid then chốt (133L, 184G, 190S và 192T) phân bố trên bề mặt của protein; 190S và 192T giữ vai trò bám dính polysaccharide (B).

Vị trí 172L và 196P nằm ở khu vực tiếp giáp giữa hai phân vùng I và II của protein (C).

Mô hình cấu trúc 3D protein α-expansin1 của đậu tương

Nghiên cứu mới cho hiểu biết thêm về cơ sở di truyền đối với đậu nành chịu hạn

Một nhóm các nhà nghiên cứu của Mỹ vừa công bố kết quả nghiên cứu của họ về cơ sở di truyền của đậu nành chịu hạn. Nghiên cứu này tập trung vào ba đặc điểm cụ thể có thể làm cho cây trồng chịu hạn hơn và dẫn đến tăng năng suất như:

- Tỷ lệ thoát hơi nước của cây trong điều kiện không khí khô.

- Tốc độ thay đổi tỷ lệ thoát hơi khi điều kiện đất đai trở nên khô hơn.

- Khả năng cố định đạm của cây trong điều kiện đất khô.

Một trong những nhà nghiên cứu của nhóm, Thomas Sinclair - North Carolina State University, cho biết quá trình cố định nitơ là tính trạng chịu hạn quan trọng nhất. Tăng "khả năng cố định đạm khi chịu hạn" được dự đoán sẽ dẫn đến tăng năng suất 85% hoặc cao hơn trong hầu hết các vùng sản xuất tại Mỹ.

Các gen WRKY liên quan đến phản ứng của đậu nành với sự lây nhiễm Phakopsora pachyrhizi

Những kết quả nghiên cứu trước đây cho rằng các yếu tố phiên mã trong cây đậu nành WRKY có chức năng phản ứng lại những stresses sinh học và bệnh hại, bao gồm bệnh rỉ sắt Á Châu do vi nấm Phakopsora pachyrhizi.

Maria Helena Bodanese-Zanettini và ctv. thuộc Universidade Federal do Rio Grande do Sul, đã hoàn thiện được chú thích trên trình tự gen, bằng phương pháp “genome-wide annotation” bộ gen cây đậu nành đối với họ gen WRKY để phân lập gen nào có chức năng trong tự vệ chống lại bệnh rỉ sắt do P. pachyrhizi. Bảy mươi lăm gen thể hiện khác nhau trong suốt giai đoạn xâm nhiễm của bệnh rỉ sắt, tám gen được  ghi nhận có chức năng thật sự phản ứng với xâm nhiễm này. Sự thể hiện của những gen như vậy có trong một giống đậu nành được tìm thấy có tính chín sớm và phát triển mạnh hơn giống nhiễm bệnh. Các dòng đậu nành biến đổi gen với gen WRKY im lặng cũng được tạo ra. Lá của cây đậu nành chuyển gen này có số vết bệnh nhiều hơn số vết bệnh của cây nguyên thủy. Phôi mầm thể hiện gen WRKY đã được ghi nhận, nhưng không thể mọc thành cây hoàn chỉnh. Kết quả cho thấy khả năng thao tác trên họ gen WRKYs là một phương pháp tiếp cận mới có liên quan đến tính kháng bệnh do vi nấm trên cây đậu nành.

Biểu hiện mạnh của Gen GmPIP1;6 giúp đậu nành chống chịu mặn

Aquaporins, liên quan đến con đường vận chuyển nước xuyên qua màng plasma ở mô rễ và mô lá, được cho là có vai trò chủ yếu  trong tăng trưởng của thực vật do ảnh hưởng của các chất này đến sự hấp thu nước và trao đổi khí của lá.

Mới đây, một nhóm các nhà khoa học thuộc Đại Học Zhejiang, Trung Quốc đã cho biểu hiện aquaporin GmPIP1;6 đậu nành để đánh giá chức năng của nó trong điều hòa tăng trưởng và khả năng chống chịu mặn của cây đậu nành. GmPIP1;6 được tìm thấy có khả năng biểu hiện mạnh mẽ tại rễ cũng như ơ các mô sinh dục. Xử lý với 100mM NaCl cho kết quả giảm sự thể hiện này ở giai đoạn ban đầu. Tuy nhiên, ba ngày sau đó, sự thể hiện  tăng lên trong mô rễ và mô lá. Ảnh hưởng của sự kiện biểu hiện mạnh của GmPIP1;6 trong đậu nành được giám định trong điều kiện bình thường và điều kiện căng thẳng về độ mặn. Tăng trưởng được thúc đẩy mạnh hơn trong các dòng đậu nành có GmPIP1;6 so với dòng nguyên thủy trong điều kiện bị stress do mặn. Cây có biểu hiện mạnh GmPIP1;6 duy trì khả năng vận chuyển nước của rễ(Lo) trong kiện kiện mặn so với dòng nguyên thủy có Lo giảm. Các dòng đậu chuyển gen trồng trên đồng ruộng có năng suất cao nhờ kích thước hạt đậu tăng lên. Các kết quả này cho thấy GmPIP1;6 có thể là một aquaporin liên quan đến quá trình vận chuyển nước của rễ, sự quang hợp và sự vào chắc của hạt và sẽ là một gen quan trọng  trong cải thiện giống đậu nành.

Các nhà khoa học Hàn Quốc là Lee và ctv. đã công bố trên tạp chí Theoretical and Applied Genetics (April 2013, Volume 126, Issue 4, pp 1103-1119) kết quả nghiên cứu bản đồ di truyền và bản đồ vật lý trên đậu nành để kết luận về những thay đổi trong nhiễm sắc thể diễn ra như thế nào. Mặc dù người ta đã tiến hành nghiên cứu khá sâu về bộ gen cây đậu nành [Glycine max (L.) Merrill], nhưng với số lượng nhiễm sắc thể khá lớn (20) so với những cây trồng chủ lực khác, nên người ta gặp không ít trở ngại khi nghiên cứu bản đồ di truyền có mức độ phân giải cao từ một quần thể lai đơn. Kết quả nghiên cứu này dựa vào một bản đồ được thiết kế từ một quần thể F15 của tổ hợp lai giữa G. max và G. soja sử dụng “indel polymorphisms” (đa hình của chỉ thị bị mất nucleotide hoặc thêm vào một nucleotide), nội dung khám phá dựa vào kỹ thuật “resequencing” trên bộ gen của G. soja. Người ta xác định trước các “indel markers” mới có liên quan chặt đến vùng mục tiêu, đến các vùng rất nghèo chỉ thị phân tử, tất cả những quãng giữa của các chỉ thị phân tử ấy giảm đi khá nhiều, chỉ còn dưới 6 cM - trung bình cho toàn genome. So sánh giống đậu nành Williams 82 làm nền tham chiếu, bản đồ di truyền cho thấy các thứ tự của những markers tại 26 vùng trên nhiễm thể không nhất quán (discrepant) với nhau. Hơn nữa, kết quả so sánh này cho thấy có 7 markers nhầm chổ (misplaced) và 2 markers không hiện diện (absent) trong giống Williams 82, 6 markers định vị trong khung chương trình (scaffolds), mà khung ấy không phù hợp với những phân tử giả (pseudomolecules). Nhờ xác định được các trình tự bị mất tại các điểm bắt đầu mà ta giả định trước đó của 5 đoạn phân tử chủ lực có tính chất trái ngược nhau (discordant segments). Người ta quan sát các discordant regions này và thấy rằng hầu hết các sai số xảy ra trong giống Williams 82 đều từ đây. Sự phân bố của những mức độ tái tổ hợp (recombination rates) xảy ra trên nhiễm sắc thể rất giống nhau so với nhiều sinh vật khác. Đánh giá kiểu gen của những indel markers như vậy và kỹ thuật resequencing của hai dòng bố mẹ cho thấy được những vùng trên nhiễm sắc thể thiếu các chỉ thị phân tử (marker-poor chromosomal regions), có thể đó là những khu vực đại diện cho việc du nhập gen (introgression regions) trong bộ gen cây đậu nành. Các markers được biết với mật độ dầy đặc tại các vùng trên bản đồ di truyền có thể tạo ra những tiện ích như một cầu nối giữa nghiên cứu “genomics” với chương trình chọn tạo giống đậu nành cải tiến.