Cơ chế phân tử của hoạt động sinh lý cây Arabidopsis thaliana vào chiều tối

Nguồn: Catarina S. Silva, Aditya Nayak, Xuelei Lai, Stephanie Hutin, Véronique Hugouvieux, Jae-Hoon Jung, Irene López-Vidriero, Jose M. Franco-Zorrilla, Kishore C. S. Panigrahi, Max H. Nanao, Philip A. Wigge, and Chloe Zubieta. 2020. Molecular mechanisms of Evening Complex activity in Arabidopsis. PNAS March 24, 2020 117 (12) 6901-6909

Gen liên quan đến hoạt động điều khiển đồng hồ sinh học  thể hiện trong 24 giờ/mỗi ngày (circadian gene expression) và được điều tiết  có tính chất cực trọng trong tăng trưởng và phát triển thực vật. Một yếu tố chủ chốt của đồng hồ sinh học này (circadian clock) là yếu tố EC - viết tắt từ chữ is “Evening Complex”, đó là một phức đóng vai trò ức chế phiên mã (transcriptional repressor). Phức này bao gồm các proteins LUX ARRHYTHMO, EARLY FLOWERING 3, và EARLY FLOWERING 4 (ELF4). Ức chế sự thể hiện của các gen – ví dụ như PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR4 (PIF4), sẽ dẫn đến: yếu tố EC suy giảm tăng trưởng theo chiều dài. Trong điều kiện khí hậu ấm hơn, hoạt động EC sẽ bị mất đi, làm tăng cường sự phát sinh ra hình thái phản ứng nhiệt (thermomorphogenesis) thông qua sự biểu hiện của PIF4 . Cơ chế phân tử này về hoạt động của yếu tố EC chưa được biết rõ ràng. Người ta nghiên cứu có sự hỗ trợ của nhiều xét nghiệm in vitro để xác định cơ chế phân tử của chúng về EC và nhiệt độ kết gắn với DNA rồi chứng minh vai trò của ELF4 trong hoạt động nói trên. Thuật ngữ “Evening Complex” (EC), bao gồm protein kết gắn với DNA là LUX ARRHYTHMO (LUX) và hai protein bổ sung là EARLY FLOWERING 3 (ELF3) và ELF4, một phức hợp có chức năng ức chế phiên mã, và một thành phần chủ lực của đồng hồ sinh học cây trồng. Để duy trì các giao động này trong sự thể hiện của gen, yếu tố EC còn gắn với điều kiện nhiệt độ và ánh sáng mặt trời, hoạt động như một “sensor” rất quan trọng về ngoại cảnh và chuyển thông tin này đến với các chu trình tăng trưởng và phát triển. Người ta đề ra giải pháp khi nghiên cứu cấu trúc của domain kết gắn với DNA của protein LUX trong phức hợp gắn kết với DNA. Gốc hóa học cực trọng đối với sự gắn kết có tính chất “high-affinity” (ái lực cao với ion nào đó) được xác định và được trắc nghiệm thông qua đột biến có chủ đích (site-directed mutagenesis) in vitro và in vivo. Sử dụng phương pháp xét nghiệm “in vitro DNA binding” của protein LUX theo nghiêm thức riêng một mình và nghiệm thức phức hợp (complex) với ELF3 và ELF4, người ta thấy rằng: nghiệm thức “LUX alone” gắn kết với DNA có ái lực cao, nghiệm thức “LUX–ELF3 complex” là “binder” rất kém khi gắn với DNA. Protein ELF4 duy trì sự kết gắn với phức hợp này tốt. xét nghiệm in vitro, yếu tố EC có thể tác động như một “thermosensor” trực tiếp, gắn kết với DNA mạnh mẽ hơn ở điều kiện 4 °C và trở nên yếu đi ở điều kiện 27 °C.

Xem https://www.pnas.org/content/117/12/6901

Di truyền cây sắn bị nhiễm bệnh virus

Nguồn: Rossitto De Marchi B, Kinene T, Krause-Sakate R, Boykin LM, Ndunguru J, Kehoe M, Ateka E, Tairo F, Amisse J, Sseruwagi P. 2020. Genetic diversity and SNP's from the chloroplast coding regions of virus-infected cassava. PeerJ. 2020 Mar 2; 8:e8632. doi: 10.7717/peerj.8632. eCollection 2020.

Sắn là cây lương thực quan trọng cho vùng cận Sahara, châu Phi; nó là nguồn lương thực rất giàu carbohydrates, proteins cho cư dân vùng này với hơn 800 triệu người. Tuy nhiên, sản lượng sắn ở đây đang bị đe dọa bởi dịch bệnh virus gây khảm sắn là “cassava mosaic disease” và “cassava brown streak disease”. Hiện nay, quản lý bệnh hại và kiểm soát bệnh hại bởi virus trên cây sắn chủ yếu tùy thuộc vào giống kháng. Do vậy, việc tìm ra gen kháng mới đối với bệnh do virus gây ra trên cây sắn là cấp thiết cho sự phát triển các giống sắn cao sản mới thông qua cải tiến giống truyền thống và kỹ thuật di truyền. Lục lạp (chloroplast) là mục tiêu tấn công chính của virus khi chúng xâm nhập vào cây sắn để nhân quần thể lên. Lục lạp cũng là nguồn đầy tiềm năng để tìm kiếm ra gen kháng mới trong cải tiến giống sắn. Mẫu là sắn nhiễm bệnh và khỏe mạnh được thu thập tại nhiều đồng ruộng khác nhau ở Đông Phi thuộc các nước Tanzania, Kenya và Mozambique. Tách chiết RNA theo phương pháp chuẩn bị “cDNA library” và chạy trình tự “Illumina”. Kết quả “assembling” và “mapping” của những lần đọc (reads) được ghi nhận. Có 33 “chloroplast genomes” chưa đầy đủ, thu thập được. Phân tích di truyền huyết thống theo phương pháp “Bayesian” của 55 gen mã hóa “chloroplast protein” trong cơ sở dữ liệu với 39 “taxa”, và phương pháp chỉ thị SNP của “chloroplast dataset”. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy mức độ đa dạng di truyền của chúng của hệ “chloroplast genome” chưa đầy đủ, thuộc những giống sắn bản địa ở Đông Phi. Đây là kết quả có nhiều bổ sung quan trọng, rất khoa học cho những công trình nghiên cứu trước đây về nguồn vật liệu kháng bệnh virus, giúp cho chương trình cải tiến giống sắn với đa dạng di truyền cao, đạt hiệu quả tốt hơn.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7058106/

Môi trường nước của cây thủy sinh và chất thải chuồng từ trang trại chăn nuôi heo

Nguồn: Xu L, Cheng S, Zhuang P, Xie D, Li S, Liu D, Li Z, Wang F, Xing F. 2020. Assessment of the Nutrient Removal Potential of Floating Native and Exotic Aquatic Macrophytes Cultured in Swine Manure Wastewater. Int J Environ Res Public Health. 2020 Feb 10;17(3). pii: E1103. doi: 10.3390/ijerph17031103.

Sự thiếu ô xi trong nước (eutrophication) và sự lan tràn của sinh vật đã làm cho môi trường nước bị tổn trương nghiêm trọng. Trung Quốc đã sử dụng thực vật ngoại lai để khử độc bằng nguồn thực vật (phytoremediation) thủy sinh. Để xác định cây thủy sinh bản địa có khả năng lọc nước tốt, hai loài thủy sinh bản địa của tỉnh Quảng Đông, tên khoa học là Ludwigia adscendens (PL: rau dừa) và Trapa natans (PT: củ ấu), đối chứng là lục bình Eichhornia crassipes.

Hình: Từ trái qua phải Ludwigia adscendens, Trapa natans và Eichhornia crassipes

Nghiên cứu nước thải chuồng nuôi heo đến sinh trưởng, khả năng thích nghi, và di chuyển dưỡng chất của chất thải chuồng heo (swine manure wastewater). Người ta thấy rằng: hai loài bản địa nói trên  có ưu điểm hơn cây lục bình E. crassipes về khả năng lọc nước (water restoration). Trong 60 ngày, rau dừa và cây củ ấu có mức tăng trưởng tốt hơn, tổng sinh khối tăng 539,8% và 385,9%, theo thứ tự. Lục bình E. crassipes bị thối rữa và chết theo thời gian HRT (hydraulic retention time). Rau dừa và cây ấu có thể điều chỉnh pH nước thải, cải tiến được sự phân rả oxygen và trạng thái ôxid hóa - khử, giảm giá trị dẫn điện EC (electrical conductivity). Tốc độ loại thải NH₄⁺-N, NO₃^--N, NO₂^--N, N tổng số, P tổng số, COD (chemical oxygen demand), và Chl-a trong cây rau dừa đạt 98.67%, 64.83%, 26.35%, 79.30%, 95.90%, 69.62%, và 92.23%, theo thứ tự. Con số này trong của ấu là 99.47%, 95.83%, 85.17%, 83.73%, 88.72%, 75.06%, và 91.55%, theo thứ tự. Mức độ ngoại hấp N tổng số và P tổng số trong cây rau dừa là 40.6% và 43.5%, theo thứ tự, trong khi trong cây của ấu là 36.9% và 34.5%, theo thứ tự. Như vậy  L. adscendens và T. natans là hai loài cây thủy sinh rất quan trọng để lọc nguồn nước thải từ trang trại chăn nuôi heo ở vùng khí hậu cận nhiệt đới.

Xem: https://www.mdpi.com/1660-4601/17/3/1103

Nguồn vật liệu lúa cao sản có hàm lượng amylose trung bình trong điều kiện bị khô hạn

Nguồn: PPT Ha, NTT Nguyen, DTN Linh, NT Lang, BC Buu. 2020. Evaluation Of Rice Germplasm For Yield Traits And Amylose Content Under Drought Stress. SABRAO Journal  of  Breeding and Genetics 52 (1): 64-74, 2020 (accepted: February 28, 2020.)

Khảo sát 44 giống lúa có năng suất cao và hàm lượng amylose trung bình thấp, trong điều kiện bị stress khô hạn ở giai đoạn phát dục. Biểu hiện tính chống chịu khô hạn là độ cuốn lại của lá, và độ khô của lá được đánh giá. Đối với độ cuốn lại của lá, có 38 giống biểu thị từ cấp 0 đến cấp 3. Sáu dòng lúa IR75499-73-1-B, V3M-92-1, IR75499-21-1-B, V3M-109-2, IR78997-B-16-B-B-B-SB2, IR78948-B-21-B-B-B được sàng lọc có tính chống chịu hạn tốt với độ cuốn lá và điểm khô lá đạt từ cấp 0 đến cấp 1. Năng suất lúa đạt 10,61 g / khóm – 26.06 g / khóm. Bốn giống lúa du nhập V3M-92-1,  IR78997-B-16-B-B-B-SB2,  IR75499-73-1-B,  và  IR78948-B-21-B-B-B có năng suất cao, chất lượng gạo tốt và chịu hạn ở giai đoạn phát dục.

Xem http://sabraojournal.org/

Gen qHTB1-1QTL điều khiển chống chịu nóng

Nguồn: Zhibin Cao, Yao Li, Huiwu Tang, Bohong Zeng, Xiuying Tang, Qizhang Long, Xiaofeng Wu, Yaohui Cai, Linfeng Yuan & Jianlin Wan. 2020. Fine mapping of the qHTB1-1QTL, which confers heat tolerance at the booting stage, using an Oryza rufipogon Griff. introgression line. Theoretical and Applied Genetics April 2020; 133:1161–1175

Gen qHTB1-1 QTL, điều khiển lúa chống chịu nóng ở giai đoạn lúa làm đòng, đã được “fine mapped” ở đoạn phân tử có kích thước 47.1 kb với 8 gen ứng cử viên. Hai gen ứng cử viên có vị trí đúng biểu thị sự thể hiện đáng kể trong nghiệm thức có stress nóng. Stress nóng do nhiệt độ cao ở giai đoạn lúa làm đòng làm hạn chế đáng kể năng suất lúa. Người ta tiến hành lai khác loài giữa giống lúa trồng Oryza sativa L. Giống R53 và mẫu lúa hoang Oryza rufipogon Griff số mẫu đăng ký HHT4 đã được hồi giao, tạo nên quần thể “single chromosome segment introgression lines” (SSIL) để làm rõ cơ chế di truyền tính chống chịu nóng của QTL có tên là qHTB1-1. Dòng lúa SSIL có tên là IL01-15, đã được sử dụng để phát triển quần thể thứ cấp phục vụ kỹ thuật “mapping” gen qHTB1-1 trên nhiễm sắc thể 1 đối với tính chống chịu nóng ở giai đoạn phát dục. Quần thể hồi giao BC₅F₂, BC₅F₃, và BC₅F₄ đã được sử dụng, lần tiên tiên gen qHTB1-1 được phân lập và được minh chứng ảnh hưởng kiểu hình của nó. Gen qHTB1-1 QTL giải thích được 13.1%, 16.9%, và 17.8% biến thiên kiểu hình của quần thể hồi giao BC₅F₂, BC₅F₃, và BC₅F₄, theo thứ tự. Sàng lọc dòng “recombinants” đồng hợp tử của quần thể BC₆F₂ và BC₆F₃, người ta xác định qHTB1-1 được “fine mapped” trong quãng 47.1 kb bởi hai chỉ thị RM11633 và RM11642. Tám gen giả định theo dự  đoán đã được chú thích (annotated), và 6 gen được dự đoán mã hóa các protein đã thể hiện. Sự thể hiện của 6 gen cho thấy LOC_Os01g53160 và LOC_Os01g53220 rất nhạy cảm với stress nóng trong dòng lúa IL01-15 so sánh với dòng lúa R53. So sánh chuỗi trình tự của vùng mang mật mã di truyền  LOC_Os01g53160 và LOC_Os01g53220 giữa dòng lúa R53 và IL01-15 có một chỉ thị SNP mang tính chất “synonymous” và hai chỉ thị SNPs mang tính chất “nonsynonymous” ở đoạn phân tử exons, theo thứ tự. Như vậy, gen qHTB1-1 đã được phân lập và được định dạng với chỉ thị phân tử liên kết với locus qHTB1-1. Đây là kết quả giúp nhà chọn giống  cải tiến được lúa cao sản chống chịu nóng theo chiến lược MAS ở giai đoạn phát dục của cây lúa.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03539-7

Giống đậu phụng kháng bệnh “bacterial wilt”: Zhonghua 6

Nguồn: Huaiyong Luo, Manish K. Pandey, Ye Zhi, Huan Zhang, Siliang Xu, Jianbin Guo, Bei Wu, Haiwen Chen, Xiaoping Ren, Xiaojing Zhou, Yuning Chen, Weigang Chen, Li Huang, Nian Liu, Hari K. Sudini, Rajeev K. Varshney, Yong Lei, Boshou Liao & Huifang Jiang. 2020. Discovery of two novel and adjacent QTLs on chromosome B02 controlling resistance against bacterial wilt in peanut variety Zhonghua 6. Theoretical and Applied Genetics April 2020;  133:1133–1148

Hai bộ gen liền kề, mới, và các gen ứng cử viên điều khiển tính kháng bệnh héo rủ do vi khuẩn (bacterial wilt) đã được xác định trên nhiễm sắc thể B02 của giống đậu phụng Zhonghua 6, thông qua kỹ thuật phân tích QTL mapping truyền thống và kỹ thuật “QTL-seq”. Đậu phụng (Arachis hypogaea) là loài cây trồng cho dầu thực vật rất quan trọng trên thế giới. Sử dụng tính kháng di truyền là chiến lược chọn giống rất kinh tế và hiệu quả  để kiểm soát bệnh “bacterial wilt”, một trong những đối tượng gây hại trong sản xuất. Để tiếp cận với nội dung cải tiến di truyền tính kháng “bacterial wilt” (BWR) trong chương trình cải tiến giống đậu phụng, người ta tiến hành lập bản đồ QTL đối với hai giống kháng. Theo đó, người ta khai thác bản đồ liên kết (linkage map) cũng như tiếp cận với phương pháp bản đồ trên cơ sở chạy trình tự vùng gen đích (sequencing-based mapping), kỹ thuật QTL-seq, để xác định vùng trên genome và cá định gen ứng cử viên đối với BWR của giống đậu phụng kháng bệnh Zhonghua 6. Quần thể RILs (recombination inbred lines) gồm có 268 cá thể dẫn xuất từ cặp lai Xuhua 13 × Zhonghua 6, được đánh giá BWR tại 5 ruộng thí nghiệm khác nhau. Bản đồ QTL với cả hai chỉ thị phân tử SSR và SNP đã xác định QTL (qBWRB02-1) định vị trên nhiễm sắc thể B02 giải thích được 37.79–78.86% biến thiên kiểu hình (PVE) tại 5 địa điểm khác nhau ấy. Kết quả QTL-seq xác định qBWRB02-1 liền kề đối với hai vùng khác trong genome là qBWRB02-1-1 (2.81–4.24 Mb) và qBWRB02-1-2 (6.54–8.75 Mb). Bản đồ di truyền được phát triển rất mới này thông qua chỉ thị “Kompetitive allele-specific PCR” ( viết tắt là KASP) xác định sự thể hiện ổn định của gen đích qua 5 địa điểm khác nhau. Ảnh hưởng của qBWRB02-1-1 (giải thích 49.43–68.86% biến thiên kiểu hình) tỏ ra có tác động cao hơn qBWRB02-1-2 (giải thích 3.96–6.48% biến thiên kiểu hình). Có 19 gen ứng cử viên giả định (putative candidate genes) ảnh hưởng bởi 49 chỉ thị SNP mang tính chất “non-synonymous” đã được phân lập đối với qBWRB02-1-1, 10 gen trong số 19 gen ấy được dự đoán mã hóa protein kháng bệnh. QTL ổn định và chủ lực qBWRB02-1-1 được xác định và được minh chứng thông qua “KASP markers”. Đây là điều kiện để áp dụng GAB (genomics-assisted breeding) trong cải tiến giống đậu phụng cao sản kháng được bệnh héo rũ vi khuẩn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03537-9

Hình: Định vị của QTL chủ lực thông qua sự trợ giúp của SSR và SNP đối với tính kháng bệnh héo rũ vi khuẩn (bacterial wilt) trên nhiễm sắc thể B02.

B02_SSR cho thấy bản đồ liên kết B02 được hình thành trên bộ chỉ thị phân tử SSR.

B02_SNP cho thấy tính chất “reversed linkage map” B02 được hình thành trên SNP loci, theo nghiên cứu của Liu et al. (2019).

B02_FHS cho thấy theo vị trí vật lý của SSR và SNP loci trên chuỗi trình tự của genome thuộc nhiễm sắc thể B02 theo Fuhuasheng. Các vị trí các quãng QTL biểu thị bằng màu xanh blue và màu xanh, theo thứ tự.