Di truyền tính trạng phẩm chất ngọt của quả dưa hấu

Nguồn: Guo S, Zhao S, Sun H, Wang X, Wu S, Lin T, Ren Y, Gao L, Deng Y, Zhang J, Lu X, Zhang H, Shang J, Gong G, Wen C, He N, Tian S, Li M, Liu J, Wang Y, Zhu Y, Jarret R, Levi A, Zhang X, Huang S, Fei Z, Liu W, Xu Y. 2019. Resequencing of 414 cultivated and wild watermelon accessions identifies selection for fruit quality traits. Nature Genetics volume 51, pages 1616–1623 (2019) - Published: 01 November 2019.

Tính trạng của quả dưa hấu ngọt là kết quả từ sự tuyển chọn không ngừng của nhà chọn giống. Ở đây, các tác giả của công trình khoa học này đã cải tiến hệ gen tham chiếu của dưa hấu và chạy trình tự trở lại toàn hệ gen (whole-genome resequencing) của tập đoàn dưa hấu bao gồm 414 mẫu giống (accessions), đại diện cho tất cả Loài (species) của chi Citrullus. Phân tích hệ gen có tính chất quần thể như vậy cho chúng ta biết được lịch sử tiến hóa của chi Citrullus, minh chứng những tiến hóa có tính chất độc lập của Citrullus amarus và quần thể gần gủi của nó, bao gồm Citrullus lanatus và Citrullus mucosospermus. Kết quả này cho thấy rằng những loci khác nhau ảnh hưởng đến độ lớn của quả dưa là nhờ chọn lựa dòng ưu việt trong quá trình thuần hóa và cải tiến giống. Alen điều khiển tính trạng không đắng (non-bitter), xuất phát từ quần thể tổ tiên của giống dưa ngọt, được cố định tính chất di truyền khá rộng rải trong loài C. lanatus. Chọn lọc tính trạng ngọt của thịt quả dưa (flesh sweetness) được bắt đầu từ dòng tổ tiên của loài C. lanatus rồi tiếp tục chọn từ các loci theo phương pháp chọn giống hiện đại, alen điều khiển sự dị hóa raffinose và vận chuyển đường. Màu thịt quả dưa hấu và hàm lượng được tích tụ có thể đồng tiến hóa thông qua việc chia sẻ các hợp phần có tính chất di truyền, bao gồm gen điều khiển vận chuyển đường. Xem: https://www.nature.com/articles/s41588-019-0518-4

Hình: Kết quả GWAS quy định phẩm chất quả dưa hấu.

Biểu hiện gen zmm28 và năng suất bắp

Nguồn: Jingrui Wu, Shai J. Lawit, Ben Weers, Jindong Sun, Nick Mongar, John Van Hemert, Rosana Melo, Xin Meng, Mary Rupe, Joshua Clapp, Kristin Haug Collet, Libby Trecker, Keith Roesler, Layton Peddicord, Jill Thomas, Joanne Hunt, Wengang Zhou, Zhenglin Hou, Matthew Wimmer, Justin Jantes, Hua Mo, Lu Liu, Yiwei Wang, Carl Walker, Olga Danilevskaya, Renee H. Lafitte, Jeffrey R. Schussler, Bo Shen, and Jeffrey E. Habben. 2019. Overexpression of zmm28 increases maize grain yield in the field. PNAS first published November 4, 2019 https://doi.org/10.1073/pnas.

Trong những thập niên gần đây, an ninh lương thực dường như là chủ đề càng trở nên nóng hơn bao giờ hết, với nhu cầu lương thực hạt tăng lên đáng kể. Đến bây giờ, giống bắp transgenic thương mại hóa có tính kháng sâu bệnh hại chính và kháng thuốc cỏ đã trở nên phổ biến. Các tác giả mô tả cách tiếp cận của giống bắp chuyển gen cải tiến năng suất hạt và năng suất phải ổn định. Họ đã và đang chứng minh rằng việc gia tăng và làm thể hiện mạnh mẽ gen zmm28, làm thay đổi các thông số di truyền của tính trạng tăng trưởng sinh thực và sinh dục, thúc đẩy đáng kể gia tăng năng suất trên đồng ruộng sản xuất đại trà, sau các khảo nghiệm nhiều năm. Họ kết luận rằng: sự thay đổi cách thể hiện gen của giống bắp bản địa có thể tạo ra một thay đổi tích cực đối với các tính trạng phức tạp, ví dụ năng suất hạt. Gia tăng năng suất hạt bắp là tiêu điểm của cả chọn giống và kỹ thuật di truyền đáp ứng được nhu cầu của thế giớ về lương thực, thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp. Họ ghi nhận rằng: gia tăng và mở rộng mức độ thể hiện gen mã hóa yếu tố phiên mã của bắp là “MADS-box” – gen zmm28, trong điều kiện điều hành của promoter bắp: “moderate-constitutive promoter”, dẫn đến sự gia tăng tốc độ tăng trưởng của cây, gia tăng quang hợp, và sử dụng đạm hữu hiệu. Bản chất phân tử và hóa sinh của cây bắp transgenic zmm28 chứng minh được rằng: các tính trạng nông học đã được kết gắn tích cực với sự đồng hóa carbon tăng lên, sử dụng hữu hiệu N, và tăng trưởng tích cực. Nhìn chung, những kết quả tích cực như vậy làm cho năng suất bắp tăng lên so với đối chứng là giống bắp wild-type trong khảo nghiệm nhiều năm, nhiều địa điểm và giống đối chứng bản địa khác nhau.

Xem https://www.pnas.org/content/early/2019/10/29/1902593116

Tính kháng phổ rộng đối với bệnh bạc lá lúa

Nguồn: Ricardo Oliva, Chonghui Ji, Genelou Atienza-Grande, José C. Huguet-Tapia, Alvaro Perez-Quintero, Ting Li, Joon-Seob Eom, Chenhao Li, Hanna Nguyen, Bo Liu, Florence Auguy, Coline Sciallano, Van T. Luu, Gerbert S. Dossa, Sébastien Cunnac, Sarah M. Schmidt, Inez H. Slamet-Loedin, Casiana Vera Cruz, Boris Szurek, Wolf B. Frommer, Frank F. White & Bing Yang. 2019. Broad-spectrum resistance to bacterial blight in rice using genome editing. Nature Biotechnology volume 37, pages 1344–1350. 28 October 2019.

Bệnh bạc lá lúa là đối tượng gây hại quan trọng ở châu Á và châu Phi. Vi khuẩn gây bệnh Xanthomonas oryzae  pv. oryzae (Xoo), tiết ra một hoặc nhiều hơn 6 effector proteins có thuật ngữ chuyên môn là TALes (transcription-activator-like effectors) gắn trình tự promoter đặc hiệu và kích hoạt, ít nhất, một trong ba gen “sucrose transporter” của cây chủ. Đó là gen SWEET11, SWEET13 và SWEET14. Sự thể hiện này yêu cầu mức độ nhạy cảm trong nhiễm bệnh bạc lá lúa. Các tác giả công trình khoa học này đã tiến hành chỉnh sửa hệ gen bằng CRISPR–Cas9 để đưa đột biến mong muốn vào trong 3 promoters của họ gen SWEET. Chỉnh sửa được phụ trợ bởi kỹ thuật phân tích trình tự DNA của các gen TALe trong 63 chủng nòi (strains) vi khuẩn Xoo, điều ấy tạo ra các biến thể (variants) đa dạng của TALe đối với alen SWEET13. Những thể đột biến được sáng tạo ra trong trường hợp SWEET14, cũng được xác định điểm đến bở hai TALes từ chủng (lineage) Xoo châu Phi. Tổng số 5 đột biến promoter được du nhập cùng một lúc vào dòng lúa Kitaake và giống lúa mega rất nổi tiếng IR64 cũng như giống lúa Ciherang-Sub1. Khảo nghiệm trên đồng ruộng cho thấy rằng promoter SWEET được chỉnh sửa làm cho các dòng lúa biểu hiện tính kháng mạnh hơn, phổ kháng bệnh rộng hơn.

Xem: https://www.nature.com/articles/s41587-019-0267-z

Protein F-box của virus kích hoạt chu trình thoái hóa “autophagy”

Nguồn: Simon Michaeli, Marion Clavel, Esther Lechner, Corrado Viotti, Jian Wu, Marieke Dubois, Thibaut Hacquard, Benoît Derrien, Esther Izquierdo, Maxime Lecorbeiller, Nathalie Bouteiller, Julia De Cilia, Véronique Ziegler-Graff, Hervé Vaucheret, Gad Galili, and Pascal Genschik. 2019. The viral F-box protein P0 induces an ER-derived autophagy degradation pathway for the clearance of membrane-bound AGO1. PNAS November 5, 2019 116 (45) 22872-22883

Thuật ngữ “autophagy” diễn tả một cơ chế hoàn toàn tự nhiên, sự điều tiết  của tế bào mà tế bào ấy loại thải ra các hợp chất không cần thiết, bất thường (dysfunctional components). Nó cho phép tiến trình phân rả vật chất một cách trật tự và tái chế những thành phần cần thiết cho tế bào. Phân tử ức chế của virus (viral suppressor) đối với “RNA silencing P0” được biết là mục tiêu của những proteins chống virus của thực vật - protein ARGONAUTE (AGO) khi phân giải xảy ra thông qua tiến trình có liên quan đến “autophagy”. Ở đây, người ta sử dụng P0 để hiểu rõ hơn những động thái phân rả chất của tế bào như thế nào, thông qua AGO1, phân tử effector chủ lực trong thực vật đối với sự kiện làm câm RNA (RNA silencing). Người ta nhấn mạnh các “P0 mục tiêu” trong mạng võng nội chất ER (endoplasmic reticulum) gắn kết với AGO1 nhờ kích hoạt sự hình thành các vật thể liên quan đến ER, mà chúng được phóng thích trong không bào với P0 và AGO1 đóng vai trò của những cargos (hàng hóa vận chuyển đi). Tiến  trình này bao gồm protein tương tác với ATG8 ký hiệu proteins 1 và 2 (ATI1 và ATI2). Chúng tương tác với AGO1 điều tiết một cách tiêu cực hoạt động làm câm transgene. Theo đó, kết quả của công trình khoa học này vận dụng một phần của nội dung điều tiết hậu giải mã AGO1 gắn kết ER, tất cả được thao tác bởi P0 để phá vỡ hệ thống tự vệ của virus. Nội dung làm câm RNA chính là hệ thống tự vệ chủ yếu của virus trong thực vật và trong động vật có xương sống. Protein ARGONAUTE1 (AGO1) của thực vật là nguyên tắc của việc làm câm RNA, do vậy, nó là mục tiêu chính trong tương tác với phân tử suppressors của virus đối với những protein làm câm RNA (VSRs). P0 có trong virus gây bệnh vàng lá củ cải TuYV (Turnip yellows virus ), là một protein VSR có chức năng như “trigger” (bóp cò) để phân giải AGO1 thông qua tiến trình “autophagy”. Tuy nhiên, việc xác định những proteins ký chủ bao gồm luôn trong tiến trình ấy và vị trí của tế bào, nơi đó AGO1 và P0 tương tác với nhau như thế nào? còn là câu hỏi chưa có lời giải. Ở đây, các tác giả ghi nhận rằng P0 và AGO1 phối hợp với nhau tại màng võng nội chất (ER), tạo ra hiệu ứng tương tác thành ra những chiếc xe tải chui qua ER rồi được kích hoạt để chạy đến không bào, theo một cách thức tùy thuộc vào sự hiện diện của ATG5 và ATG7. Họ đã xác định được các protein 1 và 2 tương tác với ATG8 (ATI1 and ATI2) giống như những protein phối hợp với P0 và tương tác với AGO1 tại ER cho đến không bào. Điều đáng ghi nhận là: ATI1 và ATI2 thuộc tiến trình phân rả có tính chất nội sinh của AGO1 kết hợp với ER. Chúng bị kích hoạt đáng kểtheo sau sự thể hiện của P0. Như vậy, sự thiếu ATI1 và ATI2 sẽ gây ra sự tăng lên có ý nghĩa hoạt động làm câm gen có tính chất hậu giải mã (PTGS: posttranscriptional gene silencing). Tóm lại, người ta đã xác định được ATI1 và ATI2 là thành phần của”turnover” AGO1 kết gắn với ER và duy trì một phần kết quả PTGS. Kết quả giải thích được làm thế nào VSR P0 thao tác trong chu trình này. Xem https://www.pnas.org/content/116/45/22872

Phân tích hệ transcriptome của cây bắp chống chịu khô hạn

Nguồn: Jin H, Liu S, Zenda T, Wang X, Liu G, Duan H. 2019. Maize leaves drought-responsive genes revealed by comparative transcriptome of two cultivars during the filling stage. PLoS One. 2019 Oct 30;14(10): e0223786.

Hình: Bắp và thân của hai giống bắp lai sau khi bị xử lý khô hạn (trái) và tưới nước (phải).

Giống như loài cây mễ cốc quan trọng khác trong sản xuất nông nghiệp hiện đại, bắp cũng bị đe dọa nặng nề bởi khô hạn trong canh tác hiện nay. Stress khô hạn xảy ra ở giai đoạn đầy hạt sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến phẩm chất hạt (hàm lượng protein hoặc dầu), và khối lượng 100 hạt. Do đó, rất nhiều nguồn nghiên cứu khác nhau trước đây đã tập trung vào dòng cận giao (inbred lines) và thí nghiệm trong chậu ở giai đoạn cây non. Nghiên cứu hiện nay được triển khai nội dung chọn dòng vào giai đoạn đầy hạt (filling stage) của cây trưởng thành; thí nghiệm ngoài đồng ruộng. Hai giống bắp lai (hybrids) có mức độ chịu hạn khác nhau đã được sử dụng để xử lý nghiệm thức khô hạn và nghiệm thức có tưới. Người ta tiến hành chạy trình tự và phân tích transcriptome của 4 nhóm, 12 mẫu giống, và thu nhận được 651,08 triệu kết quả “reads” ban đầu. Sau đó, dữ liệu được xử lý theo phương pháp lập bản đồ đối với hệ gen tham chiếu (mapping to a reference genome), giải thích chuỗi trình tự (GO annotation), phân tích độ phong phú (enrichment analysis), và những phân tích khác nữa. tác giả tập trung vào các xu hướng thay đổi xảy ra trong nghiệm thức tưới và nghiệm thức khô hạn, phản ứng khác nhau của hai hai giống bắp chịu hạn trong nghiệm thức xử lý khô. Kết quả phân tích cho thấy: nhiều phân tử transcript mã hóa protein biến dưỡng N, phosphoryl hóa protein, mã hóa protein TF như MYB,AP2/ERF, HB (yếu tố phiên mã), protein là men “O-glycosyl hydrolases”, biến dưỡng acid hữu cơ.Chúng được xác định khi xử lý stress khô hạn. Cơ sở dữ liệu này sẽ là luận thuyết về xác định gen đích quy định tính chống chịu hạn của cây bắp, cung cấp nội dung lý thuyết di truyền trong chọn tạo giống bắp cao sản chịu khô hạn sau này.

Xem https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0223786