Tổng quan di truyền học biểu sinh của cây lúa

Nguồn: Yue Lu, Dao-Xiu Zhou & Yu Zhao. 2020. Understanding epigenomics based on the rice model. Theoretical and Applied Genetics May 2020, vol. 133:1345–1363

Mục đích của bài tổng quan này là tóm lược những thành tựu khoa học gần đây về di truyền biểu sinh cây lúa (rice epigenomics), bao gồm nội dung methyl hóa DNA, cải biên histone, phân tử RNAs không mật mã, và genome học theo không gian ba chiều (three-dimensional genomics). Thách thức và triển vọng của nghiên cứu cây lúa trong tương lai đã được thảo luận. Lúa là cây mô hình trong nghiên cứu epigenomic đã và đang đạt được nhiều thành tựu trong di truyền biểu sinh thực vật. Thành tựu gần đây trên cây lúa đối với phổ di truyền epigenome và cấu trúc chromatin 3D cho thấy rằng: những đặc điểm rõ nét và sự chú ý đặc biệt về tính chất điều tiết của gen khi cây lúa phát triển, cũng như khi cây lúa thích ứng với biến đổi khí hậu. Kết quả nghiên cứu về chức năng của regulator của chromatin cây lúa lóe sáng lên nội hàm về cơ chế biến dưỡng hình thành ra làm sao, sự ghi nhận của thông tin di truyền biểu sinh, sự tái lập trình thông tin ấy trong cây diễn ra như thế nào. Dòng hóa các epialleles của nhiều giống lúa có liên quan đến những tính trạng nông học quan trọng cũng được tóm lược theo tính chất biến dị di truyền biểu sinh khi cây lúa tăng trưởng, quá trình thích nghi, và quá trình hình thành năng suất. Tổng quan này tóm lược và phân tích những thành tựu gần đây nhất về epigenomics cây lúa và thảo luận đến thách thức, phương hướng nhiên cứu trong tương lai trên ruộng lúa.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03518-7

Yếu tố phiên mã của hệ gen cây bắp đối với stress khô hạn

Nguồn: Pengfei Leng & Jun Zhao. 2020. Transcription factors as molecular switches to regulate drought adaptation in maize. Theoretical and Applied Genetics May 2020; vol. 133:1455–1465

Người ta  tổng kết các yếu tố phiên mã chủ lực (TF: transcription factors) của cây bắp khi chống chịu với stress khô hạn, những gen chính của cây bắp, và tiến trình truyền tín hiệu. Yếu tố phiên mã trong cây bắp có thể là những ứng cử viên đầy triển vọng để cải tiến tính kháng với những kích thích hết sức đa dạng của môi trường ngoại cảnh. Stress do môi trường bất lợi có ảnh hưởng chính đến tăng trưởng và phát dục của cây bắp, tạo ra mối đe dọa cực kỳ to lớn đến tính bền vững trong sản xuất nông nghiệp và năng suất cây trồng trên toàn thế giới. Trong những yếu tố gây stress phi sinh học, khô hạn là yếu tố gây bất lợi lớn nhất, thường xuyên xảy ra nhất, stress kéo dài, mang tính chất toàn cầu. Bắp (Zea mays L.) là loài cây lương thực chủ đạo cho con người, là thức ăn gia súc và gần đây là nhiên liệu sinh học. Bắp là loài cây trồng nhạy cảm với stress khô hạn. Tính chống chịu khô hạn trong thực vật vô cùng phức tạp, chưa có một mô hình tối ưu nào để cải tiến tính chống chịu hạn của cây trồng thông qua một gen kháng đơn. Các yếu tố phiên mã đóng góp vào nội dung điều tiết sự tăng trưởng và phát triển của cây, phát sinh hình thái thực vật, và phản ứng với nhiều stress bên ngoài gây ra thông qua điều hòa sự thể hiện của các gen đích một cách độc lập hoặc tương tác (cross talk) với TF khác. Do vậy, tính kháng với nhiều stress của cây trồng sẽ được cải tiến. Tổng quan này nhằm tóm tắt các phân tử TFs trong chu trình truyền tín hiệu stress khô hạn của hệ gen cây bắp và mạng lưới điều tiết của chúng. Với sự xác định mang tính chất liên tục của TFs cây bắp, người ta sẽ chứng minh được nhiều hơn tính chống chịu khô hạn không những cho cây bắp mà còn loài cây trồng khác nữa. Người ta hi vọng rằng: những TFs như vậy sẽ vô cùng phong phú trong nguồn gen có chức năng, sẽ là điều thuận lợi cho chọn tạo giống bắp cao sản chống chịu được khô hạn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03494-y

Giải trình tự chất lượng cao phân tử microRNA cây khoai lang trong chống chịu mặn

Nguồn: Yang Z, Zhu P, Kang H, Liu L, Cao Q, Sun J, Dong T, Zhu M, Li Z, Xu T. 2020. High-throughput deep sequencing reveals the important role that microRNAs play in the salt response in sweet potato (Ipomoea batatas L.). BMC Genomics. 2020 Feb 17;21(1):164. doi: 10.1186/s12864-020-6567-3.

Phân tử microRNAs (miRNAs), một lớp của phân tử RNAs cực nhỏ có tính chất điều tiết, có chức năng quan trọng cho khoai lang tăng trưởng và phát triển, cũng như phản ứng với stress. Khoai lang (Ipomoea batatas L.) là loài cây lương thực quan trọng và cũng là cây công nghiệp, được xếp hạng bảy trong cây lương thực chính (staple food). Tuy nhiên, cơ chế điều tiết của phân tử miRNA liên quan đến phản ứng đối với stress của cây khoai lang vẫn còn chưa được biết rõ. Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành kỹ thuật chạy trình tự (deep sequencing) kỹ thuật cao để xác định cả hai dạng phân tử miRNA bảo thủ và miRNA mới, từ những giống khoai lang được khảo nghiệm trên ruộng bị nhiễm mặn, so sánh với đối chứng (ruộng bình thường). Mười hai thư viện của phân tử “small non-coding RNA” từ nghiệm thức NaCl-free (CK) và nghiệm thức NaCl-treated (Na150), xét nghiệm trên lá khoai lang và rễ, thiết kế phục vụ việc xác định miRNA phản ứng với mặn của cây khoai lang. Tổng cộng 475 phân tử miRNAs được biết (thuộc 66 họ miRNA) và 175 phân tử miRNAs mới được phân lập trong nghiên cứu này. Trong số chúng, 51 (22 miRNAs được biết và 29 miRNAs mới) điều tiết theo kiểu UP và 76 phân tử (61 miRNAs được biết và 15 miRNAs mới) điều tiết theo kiểu DOWN bởi stress mặn trên lá khoai lang. Bên cạnh đó, 13 phân tử (12 miRNAs được biết và 1 miRNAs mới) điều tiết theo kiểu up; 9 (7 miRNAs được biết và 2 miRNAs mới) điều tiết theo kiểu DOWN, trong rễ hoai lang. Hơn nữa, 636 gen chủ đích của 314 miRNAs được minh chứng bởi kết quả chạy trình tự theo phương pháp “degradome sequencing”. Kỹ thuật deep sequencing được xác định lại bằng qRT-PCR cho thấy mức độ thể hiện của hầu hết phân tử miRNAs có tương quan nghịch với sự thể hiện của targets trong điều kiện bị xử lý mặn. Kết luận: nghiên cứu này cung cấp kiến thức căn bản về cơ chế điều tiết của phân tử miRNA liên quan đến phản ứng với stress mặn và chọn giống phân tử để cải tiến giống khoai lang thông qua thao tác kỹ thuật miRNA.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7027035/

Phân bố độ dài và tính phong phú của phân tử small RNAs trong 12 thư viện sRNA của khoai lang.

Yếu tố phiên mã CREB giúp bọ phấn trắng kháng thuốc gốc imidacloprid

Nguồn: Xin Yang, Shun Deng, Xuegao Wei, Jing Yang, Qiannan Zhao, Cheng Yin, Tianhua Du, Zhaojiang Guo, Jixing Xia, Zezhong Yang, Wen Xie, Shaoli Wang, Qingjun Wu, Fengshan Yang, Xuguo Zhou, Ralf Nauen, Chris Bass, and Youjun Zhang. 2020. MAPK-directed activation of the whitefly transcription factor CREB leads to P450-mediated imidacloprid resistance. PNAS May 12, 2020, 117 (19) 10246-10253

Hầu hết nghiên cứu về tính kháng thuốc trừ sâu đều tập trung vào xác định gen và phân tích chức năng gen kháng, rất ít nghiên cứu về chu trình truyền tín hiệu với kết quả điều tiết của chúng. Công trình khoa học này tìm ra được sự thể hiện mạnh mẽ của protein P450 liên quan đến tính kháng thuốc trừ sâu neonicotinoid mà con bọ phấn trắng (whitefly) thực hiện trans-regulation nhờ yếu tố phiên mã CREB. Nghiên cứu sâu hơn chứng minh rằng: cho bọ phấn phơi nhiễm trong nghiêm thức xử lý thuốc neonicotinoid, chúng sẽ kích hoạt chu trình chủ chốt có trong phản ứng ở mức độ tế bào đến tính hiệu từ bên ngoài tế bào, chu trình truyền tính hiệu MAPK kích hoạt CREB bởi hiện tượng phosphoryl hóa. CREB khi ấy kết gắn với một vị trí đặ biệt trên promoter của gen CYP6CM1 làm cho mức độ biểu hiện tăng lên. Phát hiện này cho thấy cơ chế điều tiết của P450 kháng được thuốc sâu và cũng cho chúng ta một kết quà tiềm năng về kiểm soát sự kháng thuốc. Sự tiến hóa về tính kháng thuốc của côn trùng là mối hiểm họa liên tục cho nông nghiệp và sức khỏe con người. Nếu biết rõ về cơ chế phân tử và sinh hóa, người ta có thể quản lý tốt sự điều tiết của các gen đặc thù, họ gen của gen ấy, đặc biệt là những yếu tố có tính chất trans-acting. Chúng đóng vai trò yếu tố phiên mã điều hòa theo tín hiệu di truyền. Ở đây, người ta đã giải quyết được khá chi tiết về trans-regulation của gen CYP6CM1, một cytochrome P450 liên quan đến tính kháng thuốc neonicotinoid của bọ phấn trắng (Bemisia tabaci), bởi hoạt động của MAPK (mitogen-activated protein kinase), định hướng kích hoạt yếu tố phiên mã CREB (cAMP-response element binding protein). Xét nghiệm gen reporter để phân lập promoter giả đĩnh của gen CYP6CM1, những không có đa hình hiện diện trong kết quả promoter của chủng nòi kháng B. tabaci (imidacloprid-resistant, IMR), mà chủng nòi bọ phấn trắng này thể hiện mạnh mẽ gen ấy, so với chủng nòi bọ phấn trắng nhiễm thuốc (imidacloprid-susceptible, IMS). Nghiên cứu những trans-acting factors đầy tiềm năng ấy in vitro và in vivo chứng minh rằng: yếu tố phiên mã bZIP là CREB điều tiết trực tiếp sự thể hiện mạnh mẽ gen CYP6CM1 bằng cách gắn kết với nguyên tố CRE (cAMP-response element) tại vị trí của promoter thuộc gen này. CREB thể hiện mạnh mẽ trong chủng nòi bọ trắng IMR, và trong xét nghiệm inhibitor, luciferase, phân tử RNA can thiệp. Điều này cho thấy một chu trình truyền tín hiệu của MAPKs trung gian trong phản ứng của CREB. Như vậy, có kết quả mức độ biểu hiện tăng của CYP6CM1, thông qua phosphoryl hóa trong quá trình truyền tín hiệu.

Xem https://www.pnas.org/content/117/19/10246

Cải tiến hiệu quả sử dụng dinh dưỡng của cây lúa

Nguồn: Zhihua Zhang, Shaopei Gao & Chengcai Chu. 2020.  Improvement of nutrient use efficiency in rice: current toolbox and future perspectives. Theoretical and Applied Genetics May 2020; 133: 1365–1384

Nông nghiệp hiện đại gắn với công nghệ sản xuất phân hóa học, đặc biệt trong sản xuất mễ cốc của thế giới. Sự lạm dụng phân bón hóa học không những làm tăng giá thành sản xuất lương thực mà còn làm tổn thương môi trường sống của thế giới. Lúa là cây lương thực chủ đạo (Oryza sativa L.) cung cấp lương thực chính cho gần một nửa dân số toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Do đó, cải tiến năng suất lúa luôn luôn là mục tiêu ưu tiên hàng đầu trong chọn tạo giống mới. Nguyên tố đa lượng, đặc biệt là nitrogen (N) và lân (P), là hai thành tố quan trọng nhất cho năng suất lúa. Tuy nhiên, với sự phát triển kinh tế và tiêu chuẩn sống của con người cải tiến, nội dung cải tiến phẩm chất dinh dưỡng ví dụ như hàm lượng vi chất dinh dưỡng trong hạt gạo bắt đầu trở thành mục tiêu mới để giải quyết cái đó tiềm ẩn (hidden hunger). Hung chất vi lượng như sắt (Fe), kẽm (Zn), và selenium (Se), trở thành nguyên tố dinh dưỡng cực trọng cho sức khỏe loài người. Vì vây, chọn tạo giống lúa mới có chất lượng dinh dưỡng cao là cải tiến hiệu qua hấp thu dưỡng chất NUE (nutrient use efficiency). Đây là ý tưởng trở nên một trong những cách thức khả thi nhất nhắm đến hai mục tiêu năng suất và phẩm chất dinh dưỡng mà số lượng đầu vào ít đi (low input technology). Tổng quan này ghi nhận các tiến bộ khoa học công nghệ mới ở mức độ phân tử của các genes liên quan đến NUE thông qua kết quả phân tích di truyền ngược (reverse genetics) đối với các nguyên tố đa lượng (N và P) và nguyên tố vi lượng (Fe, Zn, và Se), khai thác tối đa biến dị di truyền trong thiên nhiên để cải tiến NUE trong cây lúa. Kết quả này cung cấp một genetic toolbox hiện nay và những viễn cảnh cho tương lai để cải tiến cây lúa có NUE như mong muốn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03527-6