Peptide NCR044 có chức năng bảo vệ cây trồng kháng bệnh hại

Nguồn: Siva L. S. Velivelli, Kirk J. Czymmek, Hui Li, Jared B. Shaw, Garry W. Buchko, and Dilip M. Shah. 2020. Antifungal symbiotic peptide NCR044 exhibits unique structure and multifaceted mechanisms of action that confer plant protection. PNAS July 7, 2020 117 (27) 16043-16054

Nhiều peptides giàu cystein đặc trưng cho nốt rễ  NCR (nodule-specific cysteine-rich) biểu hiện trong cây mô hình Medicago truncatula (cỏ ba lá) có chức năng chống lại vi sinh vật gây hại (antimicrobial). Tuy nhiên, Mối tương quan của chúng giữa kiến trúc và chức năng hoạt động và cơ chế hoạt động chống lại pathogen là vi nấm vẫn chưa được biết rõ. Một peptide mang điện tích dương (cation) có tên là NCR044 biểu thị tiềm năng kháng khuẩn ưu việt đã được phân lập. Chính peptide này biểu thị một cấu trúc độc đáo rất năng động, có cơ chế đa chức năng kháng lại nấm gây bệnh: Botrytis cinerea. Ứng dụng mang tính chất ngoại sinh của peptide này có liên quan đến tính kháng bệnh mốc xám (gray mold disease) do nấm B. cinerea gây ra trên cây thuốc lá, cà chua và sản phẩm sau thu hoạch của chúng. Công trình khoa học học vạch ra hướng chiến lược tương lai để phát triển những NCR peptides kiểm soát bệnh mốc xám nói trên. Trong nốt rễ của cây mô hình Medicago truncatula, có khoảng 700 peptide NCR giàu custeine chuyên tính (NCR) với amino acid được bảo tồn rất tốt là cysteine. Những NCR peptides này vô cùng đa dạng trong chuỗi trình tự amino acid, một vài peptides biểu thị bản chất cationic có chức năng kháng khuẩn in vitro và in vivo. Tuy nhiên, người ta rất thiếu kiến thức về kiến trúc phân tử của chúng cũng như hoạt tính kháng nấm ra sao, kiểu hoạt động chống lại nấm tấn công cây trồng như thế nào. Kết quả của công trình khoa học này khẳng định rằng: kiến trúc không gian ba chiều của NMR của peptide có chuỗi trình tự bao gồm 36 amino acid NCR044 đã được giải mã. Cấu trúc độc đáo ấy vô cùng đa dạng (disordered) và vô cùng tích cực trong hoạt động, với 4 gốc α-helix và ba gốc antiparallel β-sheet, ổn định nhờ  hai câu nối disulfide. Phân tử NCR044 peptide còn biểu hiện hoạt động diệt nấm đầy tiềm năng đối với nhiều loài pathogens là nấm gây bệnh, bao gồm Botrytis cinerea và ba loài Fusarium spp. Nó ức chế sự nẩy mầm của bào tử quiescent của nấm B. cinerea. Trong khi tạo ra giao tử, NCR044 phá vỡ  màng plasma của nấm và kích hoạt ROS (reactive oxygen species). Nó kết gắn với nhiều phosphoinositides có hoạt tính sinh học in vitro. Quan sát trong kính hiển vị có cùng tiêu cự, độ phân giải cao;  người ta thấy nó gắn rất chặt với thành tế bào nấm, rồi xâm nhập vào bên trong màng tế bào tại những tiêu điểm không liên tục, theo sau là hiện tượng mất dần sự phồng lên của tế bào (turgor), rồi giữ lại trong bào chất, hiện tượng tăng thêm nucleoli trong phát sinh giao tử. Nghiệm thức phun NCR044 đã làm giảm đáng kể triệu chứng gây bệnh mốc xám trên cà chua và thuốc lá do nấm B. cinerea, và nông sản sau khi thu hoạch.

Xem https://www.pnas.org/content/117/27/16043.

Bản đồ QTL của hệ gen cây bắp trên cơ sờ haplotype và GBS trong phát triển dòng DH

Nguồn: Benjamin Trampe, Iara Gonçalves dos Santos, Ursula Karoline Frei, Jiaojiao Ren, Shaojiang Chen & Thomas Lübberstedt. 2020. QTL mapping of spontaneous haploid genome doubling using genotyping-by-sequencing in maize (Zea mays L.). Theoretical and Applied Genetics July 2020; vol. 133:2131–2140

Một QTL chủ lực đối với tính trạng SHGD đã được xác định trên nhiễm sắc thể số 5, biểu hiện ổn định qua nhiều địa điểm canh tác khác nhau. Du nhập QTL này vào giống cao sản có thể khắc phục được nhu cầu bổ sung colchicine cho dòng bắp đơn bội kép (DH). Kỹ thuật phát triển dòng đơn bội kép (doubling of haploids) có những trở ngại chính trong sản xuất đại trà dòng DH phục vụ sản xuất ngô lai. Cải thiện tính trạng SHGD (spontaneous haploid genome doubling: đơn bội kép tự phát trong tự nhiên) khắc phục được hạn chế này trong sản xuất hạt lai F₁. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta đặt mục tiêu là xây dựng bản đồ liên kết có mức phân giải cao trên cơ sở tiếp cận phương pháp GBS (genotyping by sequencing: đánh giá kiểu gen nhờ chạy trình tự DNA) của đa hình nucleotide đơn, để phát hiện được QTL và tương tác QTL x môi trường (Q x E) ảnh hưởng đến tính trạng SHGD, để xác định quần thể tối ưu phục vụ làm bản đồ di truyền và chọn lọc HMF (haploid male fertility: đực hữu dục ở trạng thái đơn bội). Cuối cùng, người ta thiết lập một quần thể di truyền “biparental” với 220 dòng F_2:3 từ tổ hợp lai A427 (HMF cao) và CR1Ht (HMF trung bình): làm vật liệu bố mẹ. Bản đồ di truyền phân giải cao bao gồm 4171 chỉ thị phân tử SNP, phân bố trên 10 nhiễm sắc thể của hệ gen cây bắp, khoảng cách trung bình của 2 marker kế cận nhau là 0,51 cM. Bản đồ QTL đối với tính trạng xuất hiện túi phấn hữu thụ, đơn bội thể; tính trạng sản sinh hạt phấn; kích thước cờ; và HMF. Người ta đã xác định 27 QTL trên 3 địa điểm khảo nghiệm khác nhau, tương tác Q x E đạt giá trị có ý nghĩa về thống kê. Một QTL chủ lực được xác định trên nhiễm sắc thể 5. QTL này giải thích được 45% biến thiên kiểu hình qua 3 môi trường thí nghiệm khác nhau. Du nhập QTL chủ lực này vào dòng bắp cao sản, thông qua hồi giao cải tiến nhờ chỉ thị phân tử, cho kết quả cho thấy tiềm năng của nó, đáp ứng được yêu cầu khắc phục sử dụng colchicine để phát triển dòng đơn bội kép.

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03585-1

Bản đồ QTL phân giải cao và gen ứng viên đậu phụng (Arachis hypogaea) điều khiển tính kháng xâm nhiễm của nấm Aspergillus flavus 

 Nguồn: Shahid Ali Khan, Hua Chen, Ye Deng, Yuhua Chen, Chong Zhang, Tiecheng Cai, Niaz Ali, Gandeka Mamadou, Dongyang Xie, Baozhu Guo, Rajeev K. Varshney & Weijian Zhuang. 2020. High-density SNP map facilitates fine mapping of QTLs and candidate genes discovery for Aspergillus flavus resistance in peanut (Arachis hypogaea). Theoretical and Applied Genetics July 2020; vol. 133:2239–2257

Hai QTL mới được phân lập điều khiển tính kháng nấm Aspergillus flavus trong giống đậu phụng đang canh tác, thông qua kỹ thuật SLAF-seq. Nhiễm aflatoxin trong hạt đậu phụng do nấm ký sinh Aspergillus flavus gây ra, trở thành vấn đề lớn trong an toàn thực phẩm đối với sức khỏe loài người trên thế giới. Tính kháng của cây chủ đối với sự xâm nhiễm của nấm, gây độc tố aflatoxin là yêu cầu bức thiết cho giải pháp. Xác định chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng có thể được áp dụng trong chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) nhằm phát triển giống cao sản mới. Hai bản đồ liên kết, mật độ phân giải cao được thiết kế với 1975 SNP loci và 5022 SNP loci, theo thứ tự. Người ta phân lập được hai QTL đặt tên là qRAF-3-1 và qRAF-14-1, định vị trên nhiễm sắc thể A03 và B04, theo thứ tự. QTL qRAF-3-1 trên bản đồ có quãng phân tử rộng 1,67 cM giải thích được 19% biến thiên kiểu hình (PVE). QTL qRAF-14-1 trên bản đồ có quãng phân tử rộng 1,34 cM giải thích được 5,15% biến thiên kiểu hình. So sánh với trình tự tham chiếu của hệ gen đậu phụng, những QTLs này, qRAF-3-1 và qRAF-14-1, có khoảng cách vật lý  là 1,44 Mbp và 2,22 Mbp, mang 67 và 137 gen, theo thứ tự. Trong các gen ứng cử viên ấy, sáu gen có cùng chức năng được tìm thấy ở cả hai vùng chứa QTLs. Bên cạnh đó, tính kháng bệnh theo giả định là protein RPP13-like protein 1 (RPP13), lipoxygenase (Lox), yếu tố phiên mã WRKY và gen mã hóa cytochrome P450 71B34 đã được người ta xác định. Áp dụng kỹ thuật phân tích microarray, các gen phản ứng với sự xâm nhiễm của nấm A. flavus đều mã hóa RPP13, pentatricopeptide repeat-containing-like protein, và Lox. Các protein này có thể được mã hóa bởi những gen ứng cử viên tương ứng điều khiển tính kháng sự xâm nhiễm của nấm A. flavus.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03594-0

Họ gen GRAS trong cây sắn (Manihot esculenta)

Vị trí họ gen GRAS của hệ gen cây sắn điều khiển tính kháng stress.

Nguồn: Zhongying Shan, Xinglu Luo, Meiyan Wu, Limei Wei, Zhupeng Fan, Yanmei Zhu. 2020. Genome-wide Identification and Expression of GRAS Gene Family Members in Cassava. BMC Plant Biol. 2020 Jan 29;20(1):46.  doi: 10.1186/s12870-020-2242-8.

Sắn là loài cây trồng chống chịu tốt với nhiều loại hình stress phi sinh học, ví dụ khô hạn; tuy nhiên, cơ chế tính chống chịu ấy vẫn chưa được hiểu biết cặn kẽ. Họ gen GRAS là một họ rất lớn, mã hóa những yếu tố phiên mã (transcription factors: TFs) bao gồm điều tiết sự tăng trưởng, phát triển, và phản ứng với stress của cây sắn. Hiện nay, protein đóng vai trò yếu tố phiên mã GRAS chưa được nghiên cứu có hệ thống trong cây sắn – một trong 6 loài cây trồng quan trọng nhất trên thế giới. Có 77 gen MeGRAS được người ta phân lập từ hệ gen cây sắn, được tư liệu hóa trong cơ sở dữ liệu quốc tế. Phân tích di truyền huyết thống, người ta thấy rằng những protein được mã hóa MeGRAS có thể được chia thành 14 họ phụ (subfamily). Kiến trúc gen và thành phần của protein motifs (kiến trúc bậc hai) mang tính bảo thủ rất cao, trong cùng một họ phụ. Các sự kiện tự tái bản (duplication), nhất là tự tái bản của đoạn phân tử nhỏ (segmental duplication), đã được xác định, nhưng có một driving force chủ yếu đối với sự phát triển họ gen GRAS ở hệ gen cây sắn. Phân tích ở kỹ thuật nâng cao cho thấy các gen MeGRAS biểu thị những phổ gen giống nhau, hoặc khác nhau, trong những mô của những giống sắn khác nhau. Hơn nữa, kết quả phân tích qRT-PCR cho thấy: có những biểu hiện từng phần, khá rõ của các gen MeGRAS khi phản ứng với stress phi sinh học (như khô hạn, mặn, lạnh và H₂O₂). Kết quả cho thấy rằng: những gen này là gen đa chức năng. Đây là nghiên cứu đầu tiên về họ gen GRAS trên hệ gen cây sắn. Cơ sở dữ liệu này sẽ giúp người ta mở rộng kiến thức hơn ở mức độ phân tử và ảnh hưởng của các gen GRAS. Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần xác định các phản ứng với nhiều điều kiện ngoại cảnh khác nhau, cung cấp sự hiểu biết đầy đủ về chức năng của họ gen GRAS.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31996133/

Phân tích di truyền tính kháng bọ phấn trắng của cây sắn

Nguồn: Maria L Irigoyen, Danielle C Garceau, Adriana Bohorquez-Chaux, Luis Augusto Becerra Lopez-Lavalle, Laura Perez-Fons, Paul D Fraser, Linda L Walling. 2020. Genome-wide Analyses of Cassava Pathogenesis-related (PR) Gene Families Reveal Core Transcriptome Responses to Whitefly Infestation, Salicylic Acid and Jasmonic Acid. BMC Genomics 2020 Jan 29;21(1):93.  doi: 10.1186/s12864-019-6443-1.

Bọ phấn trắng (whiteflies) là mối đe dọa lớn với ngành trồng sắn (Manihot esculenta), truyền bệnh siêu vi gây khảm lá. Sắn là một loài cây lương thực quan trọng ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Hiểu biết cơ chế phân tử trong phản ứng của cây sắn đối với bọ phấn trắng là yêu cầu cấp thiết để phát triển chiến lược quản lý mùa màng có hiệu quả. Họ protein PR  (pathogenesis-related protein) là một phần không thể thiếu được trong sự miễn dịch của thực vật. Với khả năng phân tích toàn bộ trình tự hệ gen (whole genome sequences), khả năng chú thích đoạn gen (annotation) và khả năng lập trình phổ thể hiện gen (profiling) của tất cả gen thuộc PR genes trong một loài sinh vật nào đó; người ta hoàn toàn thực hiện hiện được mục tiêu nghiên cứu của mình. Hiểu biết sự đáp ứng của toàn bộ gen PR khi phản ứng với stress sinh học và xác định các hormones tự vệ trong truyền tín hiệu, salicylic acid (SA) và jasmonic acid (JA), vẫn còn đang rất cần thông tin khoa học. Người ta tiến hành phân tích phản ứng của các gen PR của cây sắn khi phản ứng với sự xâm hại của bọ phấn trắng (cộng với biểu hiện SA, JA), và những đối tượng xâm hại khác (biotic aggressors). Hệ gen sắn có 14 họ gen thuộc 17 gen của họ PR, với tổng số gen là 447 PR genes. Gen PR của sắn cần phải được được đặt tên theo đề nghị hiện nay của các nhà khoa học. Tiến hành chậm trễ phân tích mức độ quan hệ di truyền (phylogenetics) của những protein PR cây sắn so sánh với các protein đồng dạng homologs của cây poplar, cây lúa, cây Arabidopsis, một lần nữa người ta phải phân lập sự phát triển họ gen PR chuyên biệt cho cây sắn. Chương trình dự thảo “PR gene expression” phản ứng với bọ phấn trắng (Aleurotrachelus socialis) trong 4 giống sắn nhiễm whitefly cho kết quả rằng: 167 gen trong 447 gen PR đã được điều tiết rõ ràng, sau khi sắn bị bọ phấn trắng tấn công. Thời gian gen PR biểu hiện hết sức khác biệt nhau, hơn 37% gen PR  điều tiết sau khi bị bọ phấn trắng tấn công theo kiểu “down” trong 4 giống sắn thử nghiệm. Các gen PR phản ứng với whitefly liên quan rất lớn đến biểu hiện của SA và JA được điều tiết đồng thời. Phân tích biểu hiện gen PR  đối với 5 đối tượng khác (biotic stress) cho thấy có tương quan thuận rất ý nghĩa giữa con whitefly và vi khuẩn Xanthomonas axonopodis cũng như Cassava Brown Streak Virus; tương quan nghịch  giữa whitefly và Cassava Mosaic Virus. Cuối cùng, chắc chắn có sự phối hợp nào đó giữa những gen PR khi cây sắn phát triển và phản ứng lại cới stress sinh học trong họ gen  PR. Đây là định tính toàn bộ genome lần đầu tiên của những gen PR cây sắn. Phản ứng của gen PR với 6 đối tượng stress sinh học và liên quan đến hormone SA và JA. Điều này chứng tỏ rằng cón có phản ứng với những angiosperms khác nữa. Người ta đề nghị cách tiếp cận như vậy có thể được áp dụng cho các loài cây trồng khác  để hiểu rõ hơn sự điều tiết của gen  PR  bởi vi sinh vật gây bệnh hại, sâu hại và hormones đóng vai trò tự vệ là SA và JA.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31996126/

Vị trí vật lý của 435 gen PR  trên 18 nhiễm sắc thể của hệ gen cây sắn. PR families có kèm theo màu sắc được ghi chú trong hình (từ 1 đến 17).