Các gen mã hóa MADS-Box của loài cỏ “sheepgrass” trong phản ứng với stress phi sinh học

Cỏ “sheepgrass” có tên khoa học là Leymus chinensis. Những gen có chức năng mã hóa proptein “MADS-box” có trong các cơ quan liên quan đến hoa cỏ, khi cây thân thảo này trổ bông.  Cỏ Leymus chinensis là loài cỏ đa niên rất quan trọng trong chăn nuôi cừu, chúng thích nghi rất giỏi với điều kiện môi trường bất lợi. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu về cơ chế phát triển hoa và những protein có domain là MADS. Nhóm nghiên cứu của Junting Jia và Pincang Zhao thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học Trung Quốc đã tiến hành dòng hóa được 11 gen “MADS-box” từ hệ gen cây cỏ sheepgrass để nghiên cứu chức năng của chúng. Phân tích cho thấy rằng hầu hết các gen mã hóa MADS-box thể hiện rất mạnh mẽ trong cơ quan của hoa. Gen LcMADS1 và LcMADS3 có mức thể hiện cao hơn ở nhị hoa (stamen) so với các mô khác. Gen LcMADS7 có mức thể hiện gen cao trong nhị hoa, mày hạt (glume), võ trấu trên, võ trấu dưới (lemma and palea). Mức độ thể hiện của các gen LcMADS2, LcMADS9, và LcMADS11 cao hơn ở cơ quan tăng trưởng so với cơ quan sinh dục. Phân tích còn cho thấy mức thể hiện gen LcMADS1 và LcMADS2 bị kích thích bởi nhiệt độ lạnh, gen LcMADS9 điều tiết theo kiểu UP khi bị stress mặn. Như vậy các gen mã hóa MADS-box, đặc biệt là LcMADS1, LcMADS3, và LcMADS7, trong hệ gen cây cỏ sheepgrass có vai trò quan trọng  trong sinh dục; và có thể có chức năng quan trọng trong phản ứng với stress phi sinh học. Người ta đang ứng dụng kết quả nghiên cứu này trong trường hợp chức năng gen MADS-box  trên cây lúa, lúa mì và nhiều loài mễ cốc khác. Xem BMC Plant Biology.

Phổ thể hiện các phân tử transcript của “MADS-box genes” trong hệ gen cỏ in sheepgrass. (a) Cấu trúc của cơ quan hoa cây cỏ Leymus chinensis. (b) Phổ thể hiện của 21 gen giả định.

Các gen có liên quan đến khả năng tự vệ của cây sắn đối với bệnh cháy lá vi khuẩn

Sắn (Manihot esculenta) là cây lương thực quan trọng của các nước nhiệt đới. Tuy nhiên, sản lượng sắn đã và đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng của bệnh cháy lá vi khuẩn (CBB)  do Xanthomonas axonopodis pv. manihotis (Xam) gây ra. Hơn nữa, thông tin về các gen có liên quan đến khả năng tự bảo vệ của cây sắn rất hạn chế.

Những ion Ca⁺⁺ đóng vai trò quan trọng trong cơ chế truyền tín hiệu. Protein có thuật ngữ chuyên môn là “calcineurin B-like proteins”, viết tắt là CBLs; và protein có tên “CBL- interacting protein kinases”, viết tắt là CIPKs: là những thành phần vô cùng thiết yếu của tín hiệu calcium. Nhóm nghiên cứu của Yu Yan thuộc Đại Học Hainan, đã nghiên cứu sự thể hiện CIPKs trong hệ gen cây sắn - gen MeCIPKs khi cây sắn phản ứng với sự xâm nhiễm của vi khuẩn Xam. Họ đã tuyển chọn bảy gen ứng cử viên MeCIPKs phục vụ cho nghiên cứu sâu. Thông qua mức độ thể hiện của các phân tử “transient” trên lá cây thuốc lá, họ thấy rằng: sáu gen MeCIPKs có liên quan đến hệ thống tự vệ của cây trong hệ gen cây sắn, thông qua sự điều tiết rất nhiều gen có liên quan đến nội dung tự vệ. Trong đó, gen MeCIPK23 được quan tâm nhiều nhất; nó tương tác với gen MeCBL1 và MeCBL9 để cải tiến phản ứng tự vệ của cây. Sự thể hiện mạnh mẽ của ba gen này liên quan đến kết quả tự vệ được cải tiến đáng kể. Trái lại, khi làm câm bất cứ một gen nào trong ba gen nói trên; hoặc cùng một lúc ba gen đề cho kết quả nhiễm bệnh trong cây sắn. Nghiên cứu cho thấy gen MeCIPK23, cũng như gen MeCBL1 và MeCBL9, có thể làm tăng cường phản ứng tự vệ của cây sắn chống lại Xam. Xem Plant Cell Reports.

Xác định gen bất dục đực của hệ gen cây bắp

Bất dục đực do di truyền đã và đang được nghiên cứu trong phát triển chiến lược sản xuất giống bắp ưu thế lai F1, phục vụ thương mại hóa hạt giống lai. Cho dù có nhiều thể đột biến bất dục đực (male-sterile mutants) đã được xác định cho cây bắp (Zea mays L.), nhưng hầu hết các gen này gây ra tính bất dục đực vẫn chưa được người ta biết rõ về cơ sở di truyền. Nhóm nghiên cứu của Ke Xie thuộc Đại Học Khoa Học và Công Nghệ Bắc Kinh, Trung Quốc, đã báo về về một đột biến cây bắp có tên là “male sterility33” (ms33), với kiểu hình bao phấn bé, màu vàng nhạt, và bất dục đực hoàn toàn. Họ xác định được đột biến của gen cây bắp GRMZM2G070304. Sử dụng CRISPR-Cas9, họ đã “knocked out” gen GRMZM2G070304. Các dòng bắp được chỉnh sửa gen có những tính trạng nông học giống nhau như cây bắp đột biến ms33. Người ta hoàn toàn có thể xác định gen GRMZM2G070304 là đối tượng có khả năng đáp ứng với đột biến tốt. Gen này mã hóa GPAT (sn-2glycerol-3-phosphate acyltransferase) trong hệ gen cây bắp. Thể hiện của gen này còn cứu được kiểu hình bất dục đực của dòng đột biến ms33. Gen này, được ký hiệu di truyền là ZmMs33, được tìm thấy chúng thể hiện ở túi phấn non và ở mô rễ bắp. Như vậy protein cu3aloa2i đơn tử diệp hết sức đặc biệt là GPAT3 có vai trò quan trọng trong tính trạng bất dục đực của cây bắp. Gen này có thể có giá trị rất lớn phục vụ chọn tạo giống bắp và sản xuất hạt lai. Xem Theoretical and Applied Genetics.

Gen BrAP2 là yếu tố then chốt để cải tiến sản xuất hạt cải Brassica

Nhiều loài rau và hạt có dầu thuộc chi Brassica – họ Thập Tự; việc sản xuất hạt giống vô cùng hạn chế vì những cơ quan của hoa cải vô cùng bất thường, đặc biệt khi cây được trồng trong điều kiện môi trường bất lợi. Hơn nữa, cơ chế di truyền của những cơ quan bất thường nói trên còn còn được biết rất mù mờ. Nhóm nghiên cứu của Yanfeng Zhang thuộc Hybrid Rape Research Center, Trung Quốc, báo về đặc tính của dòng củ cải trắng (turnip) đột biến (tên khoa học: Brassica rapa) có bông cải giống như nhụy hoa mới (novel pistil-like mutant). Dòng đột biến này có hoa với bốn đài hoa (sepal), chúng dung hợp lại với nhau để hình thành một lá noãn (carpel), bao bọc lại các nhị đực bất bình thường và một nhụy hoa cái, làm cho việc sản xuất hạt cải rất kém. Dòng đột biến mới có tên là “sepal-carpel modification” (viết tắt là scm: có nghĩa là cải biên lá noãn-đài hoa). Phân tích cho thấy sự thể hiện của gen BrAP2a, gen này chuyên biệt với tính trạng đài hoa, làm mất chức năng scm đột biến do sự chèn vào của gen này. Sự thể hiện gen BrAP2b, cũng như dạng tương đồng đồng của nó là gen BrAP2a, hồi phục kiểu hình đài hoa bất thường của dòng đột biến Arabidopsis ap2-5. Các nhà nghiên cứu đã áp dụng CRSIPR-Cas9 trên hệ gen cây cải dầu (Brassica napus) đánh dấu mục tiêu phải đến là gen BnAP2, một gen tương đồng của BrAP2. Các dòng “CRISPR mutants” thể hiện kiểu hình “scm-like”, chứng minh giả tuyết của học như đã nói ở trên. Như vậy gen BrAP2 có vai trò quan trọng trong cải biên đài hoa. Những hiểu biết về cơ chế di truyền điều khiển các cơ quan của hoa cải đã được quan tâm và kết quả này sẽ hữu ích cho những thao tác di truyền sau này để cải tiến thương mại sản xuất hạt cải giống trong các loài thuộc chi Brassica. Xem Frontiers in Plant Science.

CRISPR-Cas9 được áp dụng trên dâu tây

Nghiên cứu về chức năng của gen trong hệ gen cây dâu tây trồng trọt (Fragaria × ananassa) đã được thực hiện thông qua phương pháp làm câm gen (gene silencing) bằng thiết kế vec tơ “intron hairpin RNA” (ihpRNA). Tuy nhiên, hệ thống này tỏ ra không hiệu quả và ổn định như mong muốn. Carmen Martin-Pizarro và David Posé Padilla thuộc Đại Học Malaga, Tây Ban Nha, đã sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 cho loài đa bội thể này (octoploid species), xác định đích đến là gen APETALA3 (AP3) - gen “homeotic” ở hoa cây dâu tây. Các dòng dâu tây được chỉnh sửa gen như vậy biểu hiện sự không bình thường của nhị đực và sự phát trei63n trái dâu tây. Phân tích tại locus mục tiêu, người ta thấy có những khác biệt trong kỹ thuạt chỉnh sửa gen xung quanh các dòng CRISPR khác nhau này, các dòng có đột biến trong tất cả ba bản sao chép AP3 của hệ gen cây dâu tây. Quan trọng hơn là những đột biến này được duy trì trên những cây được dòng hóa từ dây lươn (runners), đảm bảo sự duy trì tính trạng mong muốn trong chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR-Cas9 trong quá trình nhân giống vô tính cây dâu tây. Hệ thống CRISPR-Cas9 là một công cụ mang chức năng mong muốn đến các giống dâu ta6h trồng trọt. Hệ thống này có thể được xem như một chiến lược nghiên cứu để phân tích chức năng của các gen trong hệ gen cây dâu tây. Xem Repositorio International de la Universidad de Malaga.

Vai trò của abscisic acid (ABA) trong tính kháng bệnh của cây lúa

Các đột biến bắt chước vết bệnh (lesion mimic mutants) thể hiện sự chết của tế bào có tính chất tự phát (spontaneous), do vậy, người ta có thể lợi dụng tính chất này để  nghiên cứu cơ chế của tế bào chết và tính kháng bệnh. Mặc dù những đột biến này đã được thực hiện khá nhiều trong hệ gen cây lúa (công trình của Hei leung, IRRI), nhưng mối quan hệ giữa  sự hình thành vết bệnh và abscisic acid (ABA) vẫn chưa rõ ràng. Nhóm nghiên cứu của Liao Yongxiang thuộc Sichuan Agricultural University, Trung Quốc, đã xác định được một dòng lúa đột biến, có tên là “lesion mimic mutant 9150” (dòng lúa lmm9150). Dòng đột biến này thể hiện một cách tự phát tế bào chết, tăng cường sự tăng trưởng, và kháng với bệnh bạc lá vi khuẩn và bệnh đạo ôn trong cây lúa. Các nhà nghiên cứu nhận thấy sự chết của tế bào  trong dòng đột biến này kết hợp với sự tích tụ dư thừa “hydrogen peroxide”. Tính kháng bệnh gia tăng và gen tự vệ được điều tiết theo kiểu UP kết hợp với sự chết của tế bào. Các mức độ ABA trong cây lúa đột biến lmm9150 giảm đi đáng kể. Phân tích sâu hơn cho thấy: một đột biến điểm của gen OsABA2, một gen gắn với sinh tổng hợp ABA, có dòng cây đột biến lmm9150. Thông qua CRISPR-Cas9, người ta “knockout” gen OsABA2, các dòng lúa chỉnh sửa gen này có kiểu hình giống nhau với lmm9150, cho thấy gen OsABA2 thực sự đáp ứng với đột biến lmm9150. Số liệu nghiên cứu này cho thấy: có liên hệ giữa thiếu hụt ABA với sự chết của tế bào; điều này cung cấp cơ sở lý luận vbe62 vai trò của ABA trong tính kháng bệnh của cây lúa. Xem Frontiers in Plant Science.