Gen SNAC1 trong phản ứng chống chịu khô hạn của cây lúa

Nguồn: Li X, Chang Y, Ma S, Shen J, Hu H, Xiong L. 2019. Genome-Wide Identification of SNAC1-Targeted Genes Involved in Drought Response in Rice. Front Plant Sci. 2019 Jul 26;10:982. doi: 10.3389/fpls.2019.00982.

Stress khô hạn có thể làm thất thoát rất nghiêm trọng năng suất lúa. Tính chống chịu khô hạn là tính trạng số lượng vô cùng phức tạp, được điều khiển bởi các hệ thống làm việc chưa được biết rõ trên cơ sở mức độ phấn tử. Yếu tố phiên mã (TFs) của gen  SNAC1  là protein phản ứng với NAC được người ta ghi nhận đới với chức năng của nó trong nội dung điều tiết tích cực tính chống chịu khô hạn của cây lúa. Người ta cũng xác định được nhiều vị trí đích mang tính chất “downstream” của SNAC1. Tuy nhiên, một hệ thống điều tiết có tính chất đầy đủ trên cơ sở SNAC1 trong phản ứng với khô hạn vẫn còn chưa được biết rõ. Theo kết quả nghiên cứu này, các tác giả đã thực hiện kỹ thuật ChIP-Seq (Chromatin immune-precipitation sequencing) và kỹ thuật RNA-Seq của gen SNAC1 đã thể hiện mạnh mẽ trong cây lúa transgenic  (các dòng lúa SNAC1-OE) và cây lúa nguyên thủy (wild-type) trong điều kiện bình thường, trong điều kiện có stress khô hạn trung bình. Sau đó, người ta xác định tất cả gen SNAC1 chủ đích ở mức độ toàn hệ gen (genome-wide scale) bằng kỹ thuật phân tích RNA-Seq. Họ đã tìm thấy 980 gen thể hiện rất khác nhau “DEGs” (differentially expressed genes) trong dòng lúa SNAC1-OE so sánh với dòng lúa “wild-type” làm đối chứng trong điều kiện stress do khô hạn. Kỹ thuật phân tích ChIP-Seq đã xác định được 4.339 gen kết gắn với SNAC1 trong điều kiện bị stress do khô hạn (SNAC1BGDs). Nhờ kết hợp của những DEGs và SNAC1BGDs, người ta đã phân lập được 93 gen đích SNAC1 bao gồm những phản ứng chống chịu khô hạn (SNAC1TGDs). Hầu hết các SNAC1TGDs là nội dung trong điều hành phiên mã, phản ứng với trường hợp cây bị mất nước quá nhiều, và những tiến trình khác có liên quan đến phản ứng chống chịu stress. Hơn nữa, những motifs chủ yếu của “SNAC1BGDs promoters” có trong trình tự nhận biết NACRs (NAC recognition sequence) và quá trình sản sinh ra ABRE (ABA responsive element). Dòng lúa SNAC1-OE nhạy cảm với ABA nhiều hơn dòng lúa wild-type. SNAC1 có thể kết hợp với promoter OsbZIP23, một thể điều hòa (regulator) quan trọng trong chu trình truyền tín hiệu ABA, tích cực điều tiết sự thể hiện của nhiều gen trong chu trình truyền tín hiệu ABA.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6677020/

Chỉnh sửa gen OsNramp5 ảnh hưởng đến sự tích tụ kim loại nặng Cd trong cây lúa.

Nguồn: Tiankang Wang, Yixing Li, Yuefeng Fu, Hongjun Xie, Shufeng Song, Mudan Qiu, Jiong Wen, Muwen Chen, Ge Chen, Yan Tian, Chengxia Li, Dingyang Yuan, Jianlong Wang and Li Li. 2019. Mutation at different sites of metal transporter gene OsNramp5 affects Cd accumulation and related agronomic traits in rice (Oryza sativa L.). Front. Plant Sci. Received: 22 May 2019; Accepted: 08 Aug 2019. | doi: 10.3389/fpls.2019.01081

OsNramp5 là một gen chủ yếu có trong tiến trình kiểm soát sự hấp thu Cd, Mn, và những nguyên tố kim loại nặng khác bởi các tế bào trong rễ lúa. Sự thiếu chức năng của gen này có thể làm suy giảm đáng kể sự tích tụ của Cd trong hạt thóc, nhưng các ảnh hưởng của gen trong dòng đột biến đối với những tính trạng nông học như năng suất và phẩm chất hạt chưa được người ta nghiên cứu nhiều. Theo kết quả này, ba gen đột biến OsNramp5 trên nền tảng di truyền giống lúa Huanghuazhan là LCH1 (Low Cadmium Huanghuazhan 1), LCH2 (Low Cadmium Huanghuazhan 2), và LCH3 (Low Cadmium Huanghuazhan 3) được thao tác nhờ kỹ thuật chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR-associated Proteins 9). Phân tích kiểu hình đột biến cho thấy LCH1, LCH2, và LCH3 mã hóa protein có trình tự thiếu của gen OsNramp5 là protein thiếu 76 aa, 176 aa, và 266 aa, theo thứ tự. Xác định ion kim loại nặng và phân tích thống kê  các tính trạng nông học chủ yếu cho thấy rằng có sự thiếu hụt chức năng của gen OsNramp5 không những làm giảm đáng kể sự tích tụ Cd trong hạt thóc dòng lúa đột biến, mà còn ảnh hưởng đến năng suất và phẩm chất lúa. Tuy nhiên, với mức độ giảm trong dòng lúa đột biến OsNramp5, ảnh hưởng tích tụ của Mn trong mô diệp lục (chlorenchyma), năng suất lúa và phẩm chất lúa cũng giảm. Thêm vào đó, người ta còn tìm thấy có sự gia tăng hàm lượng Mn duy trì trong đất  làm giảm năng suất lúa và phẩm chất lúa do sự thiếu chức năng của gen OsNramp5. Kết quả này cho thấy có những hiểu biết mới và nguồn vật liệu di truyền mới trong cải tiến giống lúa với hàm lượng Cd tích tụ thấp và tính trạng nông học tốt trong điều kiện môi trường bị ô nhiễm bởi kim loại nặng Cd.

Xem https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2019.01081/abstract

Phân tích GWAS giống lúa kháng bệnh virus lùn sọc đen

 Nguồn: Feng Z, Kang H, Li M, Zou L, Wang X, Zhao J, Wei L, Zhou N, Li Q, Lan Y, Zhang Y, Chen Z, Liu W, Pan X, Wang GL, Zuo S. 2019. Identification of new rice cultivars and resistance loci against rice black-streaked dwarf virus disease through genome-wide association study. Rice (N Y). 2019 Jul 15;12(1):49. doi: 10.1186/s12284-019-0310-1.

Virus gây bệnh lùn sọc đen RBSDV (rice black-streaked dwarf virus) làm thất thoát năng suất lúa nghiêm trọng tại Đông Á và Đông Nam Á. Giống lúa kháng bệnh là chiến lược lâu dài mang tính chất kinh tế và hiệu quả nhất trong quản lý bệnh hại. Tuy nhiên, có rất ít giống lúa và rất ít QTL điều khiển tính kháng RBSDV được xác định cho đến nay. Trong nghiên cứu này, GWAS (genome-wide association study) được áp dụng để phân lập gen kháng RBSDV với panel 1 về đa dạng di truyền giống lúa (RDP1) tập họp 44.000 chỉ thị SNPs với mật số cao của “markers array”. Người ta thấy rằng có ít hơn 15% giống lúa của tập đoàn này thể hiện chức năng kháng RBSDV trong điều kiện cho lây nhiễm tự nhiên trên ruộng, tại 2 địa điểm khác nhau, nơi đang là điểm nóng của bệnh RBSDV. Giống lúa aus, indica và joponica nhiệt đới có trong “sub-populations” biểu hiện chức năng kháng RBSDV cao hơn mẫu giống lúa thơm và giống lúa japonica ôn đới có trong những “sub-populations”. Đạc biệt, người ta xác định được 4 giống lúa thể hiện mức độ kháng ổn định với RBSDV ở tất cả các điểm khảo nghiệm. GWAS đã xác định được 84 loci của chỉ thị SNP mang tính chất “non-redundan” kết hợp có ý nghĩa với tính kháng  RBSDV tại hai điểm nóng trong khảo nghiệm, từ đó, người ta xác định được 13 QTLs điều khiển tính kháng RBSDV. Theo đó, qRBSDV-4.2 và qRBSDV-6.3 được tìm thấy ở cả hai điểm nóng ấy, kết quả gợi ra rằng tính ổn định của gen kháng trong điều kiện ảnh hưởng ngoại cảnh khá phức tạp. Đáng giá tính kháng bệnh ngoài đồng cho thấy qRBSDV-6.3 làm giảm đáng kể mức độ gây hại của RBSDV còn 20%. Bên cạnh đó, cho du nhập gen qRBSDV-6.3 vào hai giống lúa nhiễm bệnh thông qua MAS (marker-assisted selection) chứng minh sự hiệu quả của qRBSDV-6.3 làm tăng cường tính kháng RBSDV. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6629753/

Hình 4: Phân tích GWAS tính kháng bệnh RBSDV của 305 giống lúa.

Biểu hiện của gen rubisco activase chuyển từ cây lúa sang cây bắp – phân tích GWAS

Nguồn: Zhang Y, Zhou Y, Sun Q, Deng D, Liu H, Chen S, Yin Z. 2019. Genetic determinants controlling maize rubisco activase gene expression and a comparison with rice counterparts. BMC Plant Biol. 2019 Aug 14;19(1):351. doi: 10.1186/s12870-019-1965-x.

Enzyme rubisco activase (RCA) điều tiết hoạt động của Rubisco. Nó là enzyme chủ chốt của quang tổng hợp. Sự thể của protein RCA được báo cáo khá nhiều về ảnh hưởng của nó đến quang tổng hợp và năng suất cây trồng, nhưng cơ sở phân tử của nó và sự biến dị tự nhiên trong thể hiện của RCA vẫn được được hiểu rõ trong trường hợp cây bắp. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta phân tích hệ tương quan của khoảng 200 mẫu giống bắp tự thụ (inbred lines). Kết quả tương quan thuận có ý nghĩa giữa biểu hiện gen RCA “ZmRCAβ” và năng suất bắp. GWAS (genome-wide association study) cho thấy cả hai cis-eQTLs (cis-expression quantitative trait loci) và trans-eQTLs đều có chức năng thể hiện của gen ZmRCAβ, với chức năng sau quan trọng hơn cái trước. Người ta tiếp tục phân tích “allele mining” (tìm kiếm mỏ alen) và thực hiện chuyển nạp gen cho thấy rằng: phân tử chèn vào có kích thức 2-bp và 14-bp tại trình tự của promoter của gen ZmRCAβ liên quan đến kết quả thể hiện gen tăng mạnh hơn. Bởi vì, cây lúa được ghi nhận là có thể hiện gen RCA cao hơn cây bắp, do vậy, người ta tiến hành so sánh các yếu tố di truyền liên quan đến chức năng thể hiện gen RCA giữa cây bắp và cây lúa. Hoạt động promoter của gen RCA cây lúa mạnh hơn cây bắp, do đó, việc thay thế gen RCA của promoter cây bắp bằng gen RCA của cây lúa sẽ cải tiến được sự thể hiện gen RCA trong cây bắp.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6692957/

Hình 3: GWAS giúp cho thấy sự thể hiện gen ZmRCAβ. [a, c] “Quantile-quantile plot for the GWAS” theo mô hình tuyến tính (MLM). [b, d] “Manhattan plot for the GWAS”. Ghi nhận: Đường ngang màu đỏ là tín hiệu phối hợp có ý nghĩa về thống kê (−logP > 5.75).