Di truyền biểu sinh tính kháng bệnh đốm vằn trên cây lúa

Nguồn: Cao Wenlei, Cao Xinxin, Zhao Jianhua, Zhang Zhaoyang, Feng Zhiming, Ouyang Shouqiang, Zuo Shimin. 2020. Comprehensive Characteristics of MicroRNA Expression Profile Conferring to Rhizoctonia solani in Rice. Rice Science, Volume 27, Issue 2, 2020, pp. 101-112

Đặc điểm của sRNAs biểu hiện trong cây lúa nhiễm bệnh và kháng bệnh, nghiệm thức chủng nấm R. solani.  (A) Phân bố sRNAs trên nhiễm sắc thể. Chr.Sy và Chr.Un không hợp nhất được trong những trình tự pseudomolecule. (B) Phần trăm chiều dài trình tự của sRNAs. (C) miRNA nucleotide biến động tại mỗi vị trí.

MicroRNAs (miRNAs) với khoảng 22 phân tử RNA không có tính chất điều tiết việc mã hóa những nucleotides,  chúng có vai trò đa tác dụng trong tái lập lại chương trình phản ứng của cây với stress sinh học và phi sinh học. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa biết rõ phân tử miRNAs nào liên quan đến  tính kháng nấm hoại sinh (necrotrophic) như nấm Rhizoctonia solani trong cây lúa. Muốn nghiên cứu phân tử miRNAs nào tham gia điều tiết mã hóa tính kháng đối với nấm gây bệnh đốm vằn do R. solani, người ta tiến hành xây dựng 12 thư viện các phân tử small RNA từ các giống lúa nhiễm bệnh và kháng bệnh, được xử lý với nước (nghiệm thức đối chứng) và nghiệm thức chủng pathogen vào cây lúa sau 5 giờ (hpi), nghiệm thức chủng 10 hpi và nghiệm thức chủng 20 hpi. Tận dụng lợi thế của NGS (next-generation sequencing), người ta thu thập được 400–450 phân tử miRNAs được biết, và 450–620 phân tử miRNAs mới tìm thấy, từ 12 thư viện nói trên. Phân tích sự biểu hiện của những phân tử miRNAs cho thấy có những khác biệt đối với phân tử đã biết rồi và những phân tử miRNAs mới, khi có nấm R. solani xâm nhiễm. Ba mươi bốn họ miRNA được xác định, chúng biểu hiện hết sức chuyên biệt trong cây lúa. Hầu hết chúng được tiến hóa trong phản ứng kháng bệnh đốm vằn. Một phân tích đặc biệt là phân tích chu trình KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) cho kết quả như sau: đa số những gen đích của phân tử miRNAs được điều tiết, thuộc về chu trình tương tác giữa ký sinh và ký chủ. Bên cạnh đó, phân tử miR444b.2, miR531a, mir1861i, novel_miR1956 và novel_miR135 có liên quan đến phản ứng của sự xâm nhiễm nấm R. solani vào cây lúa, nó được kiểm định bởi kỹ thuật Northern blot. Sự hiểu biết của chúng ta về miRNA profiling cho thấy rằng: sự điều tiết miRNAs có thể được xem như là yếu tố điều khiển tính miễn dịch của cây lúa đối với R. solani. Phân tích sự biểu hiện miRNAs sẽ mang lại cho chúng ta định hướng một chiến lược mới quản lý bệnh đốm vằn trên cây lúa trong tương lai.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672630820300032.

Hiện tượng phosphoryl hóa protein và phosphoproteome / tính chịu ngập của cây lúa

Nguồn: Aolore AA, Amara C, Shakeel, Wang, Shu Y, Li S, Liu X, Babatunde KB, Sani MT, Tong X, Zhang J. 2020. Protein Phosphorylation and Phosphoproteome: An Overview of Rice. Rice Science, Volume 27, Issue 3, 2020, pp. 184-200

Nghiên cứu này đã đánh giá phản ứng tính chống chịp ngập (submergence responses) của 88 giống lúa bản địa (Oryza sativa L.), được thu thập từ vùng Koraput, Ấn Độ, nhằm xác định kiểu gen cây lúa chống chịu ngập như thế nào. Kết quả thí nghiệm trong chậu, có sự biến thiên về mức độ cây sống sót, sự vươn dài lóng thân, tỷ lệ tăng trưởng tương đối (giữa hai nghiệm thức ngập và đối chứng), tổng lượng chất khô, hàm lượng diệp lục, đường hòa tan và hàm lượng tinh bột. Chúng được đánh giá trong 2 năm liên tục trong điều kiện thoát thủy tốt và điều kiện bị ngập nước hoàn toàn. Kết quả PCA (principal component analysis) cho thấy rằng: ba lóng thân đầu tiên đóng góp  96,82 % biến thiên tổng quát của giống lúa bản địa, biểu hiện biến thiên rộng giữa các giống lúa. Những tính trạng nông học chủ yếu như mức độ cây sống sót, RGI (relative growth index), đường hòa tan và hàm lượng tinh bột tổng số, tỏ ra vô cùng quan trọng, mang tính quyết định về sự đa dạng kiểu hình của các giống lúa bản địa. Biến thiên di truyền kiểu hình (PCV%) lớn hơn rất nhiều so với biến thiên kiểu gen (GCV%), đối với tất cả tính trạng. Hệ số di truyền nghĩa rộng cao (90,38%–99,54%). Năm giống lúa bản địa (Samudrabali, Basnamundi, Gadaba, Surudaka và Dokarakuji) chống chịu ngập tốt nhất. Khi xử lý cây lúa ngập hoàn toàn đến ngày thứ 14, giống Samudrabali, Basnamundi và Godoba có tỷ lệ cây sống cao hơn giống chuẩn quốc tế (chống chịu ngập) là giống FR13A. Tính trạng vươn dài lóng của chúng mạnh mẽ hơn và tích tụ sinh khối lớn hơn. Ba giống lúa bản địa này có thể là nguồn vật liệu bố mẹ hữu ích trong cải tiến giống lúa nước bị ảnh hưởng bởi loại hình nước ngập kéo dài nhiều tháng, nước dâng từ từ (moderate stagnant flood) và loại hình ngập đột ngột, rồi rút hẳn sau 7-10 ngày (flash flood). Đánh giá kiểu gen bằng công cụ phân tử cho thấy tính chống chịu ngập của Samudrabali, Basnamundi và Godoba liên kết với sự hiện diện của một hoặc nhiều hơn loci Sub1 khác nhau, nó có thể minh chứng được một chương trình cải tiến giống hoàn toàn khả thi để cải tiến tính chống chịu ngập của giống lúa nước cao sản, ổn định năng suất ở vùng canh tác lúa nước trời, đất thấp.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672630819301088

QTL điều khiển kích cỡ hạt từ dòng dẫn xuất của lúa hoang Oryza rufipogon thông qua GWAS

Nguồn: Kashif Hussain, Zhang Yingxing, Workie Anley, Aamir Riaz, Adil Abbas, Md. Hasanuzzaman Rani, Wang Hong, Shen Xihong, Cao Liyong, Cheng Shihua. 2020. Association Mapping of Quantitative Trait Loci for Grain Size in Introgression Line Derived from Oryza rufipogon. Rice Science, May 2020; 27(3): 246-254

Kích cỡ hạt lúa (grain size) là một trong những tính trạng nông học quan trọng quyết định năng suất hạt và phẩm chất gạo. Tuy nhiên, sự hiểu biết về cơ chế di truyền điều khiển tính trạng này vẫn còn rất khiêm tốn. Người ta đã sử dụng một dòng lúa dẫn xuất từ lúa hoang Zhonghui 8015 và loài lúa hoang Oryza rufipogon Griff. Dòng dẫn xuất này (introgression line) được đánh giá  trong hai điều kiện ngoại cảnh khác nhau để tìm thấy những QTL (quantitative trait loci) điều khiển tính trạng kích cỡ hạt. GWAS (genome-wide association study) được vận dụng với 28.193 chỉ thị phân tử SNPs, thông qua mô phỏng tuyến tính chung, và 56 chỉ thị SNPs có ý nghĩa tại nhiều loci khác nhau kết hợp với 4 tính trạng liên quan đến kích cỡ hạt. Các gen được dòng hóa (cloned) là GS3 và qGL3, cho thấy ảnh hưởng rất lớn trên chiều dài hạt và kích thước lớn của hạt. Bảy loci mới, khá ổn định, có ảnh hưởng di truyền đa tính trạng (pleiotropic) về kích cỡ hạt. Phân tích haplotype, phổ thể hiện gen, kết hợp với phân tích “gene-based associations”, và kỹ thuật chú thích di truyền về chức năng (functional annotations): cho phép chúng ta rút ngắn lại danh sách các gen trội quan trọng, bao gồm cả gen GS3 và qGL3.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672630820300251

Gen biểu hiện sự phân bố không gian của sắt và phytic acid trong hạt gạo

Nguồn: Anurag Mishra, Md. Shamim. Md. Wasim Siddiqui, Akanksha Singh, Deepti Srivastava, K.N. Singh. 2020.

Genotypic Variation in Spatial Distribution of Fe in Rice Grains in Relation to Phytic Acid Content and Ferritin Gene Expression. Rice Science; May 2020, 27(3):227-236

Các giống lúa có hàm lượng sắt trong hạt gạo cao, định vị trong nội nhũ hạt, có thể là nguồn vật liệu bố mẹ rất tốt để giải quyết vấn đề thiếu sắt trong phẩm chất dinh dưỡng cơm. Theo nghiên cứu này, người ta sử dụng 303 giống lúa trồng Oryza sativa và một mẫu quần thể lúa hoang Oryza rufipogon để đánh giá: sự tích tụ theo không gian của Fe trong hạt, bằng kỹ thuật nhuộm phẩm màu Prussian blue. Protein ferritin phân bố theo không gian của hạt được quan sát bằng mắt, nhờ phương tiện hỗ trợ là immuno histo chemistry. Biểu hiện của ferritin được đánh giá trong các giống lúa chọn lọc nhờ phương pháp chạy PCR ngược (semi-quantitative reverse transcription PCR). Ba giống lúa rất phổ cập là Sarjoo 52, Madhukar và Jalmagna, cùng với mẫu giống lúa hoang O. rufipogon biểu hiện hàm lượng Fe trong tất cả các khu vực trong hạt thóc. Hàm lượng Fe cao nhất được quan sát trong phôi mầm (embryo region). Một số giống lúa cao sản như Swarna, Swarna Sub 1, CSR13 và NDRR359 có hàm lượng sắt thấp Fe ở phôi mầm. Hàm lượng sắt cao nhất được tìm thấy trong mẫu giống lúa hoang O. rufipogon (49,8 μg/g), theo sau là giống lúa Sarjoo 52 (26,1 μg/g) và Madhukar (25,7 μg/g). Hàm lượng phytic acid biểu hiện rất thấp trong mẫu giống lúa hoang O. rufipogon (5,75 mg/g), theo sau là giống lúa Sarjoo 52 (5,83 mg/g). Phân tích Western blot và semi-quantitative reverse transcription PCR cho kết quả: biểu hiện gen ferritin cao trong mẫu giống lúa hoang O. rufipogon, Sarjoo 52 và Madhukar. Kết luận, O. rufipogon và Sarjoo 52 có hàm lượng sắt cao Fe trong vùng phôi mầm (embryo regions), cũng như ở nội nhũ (endosperm) và tầng aleuron, trong khi đó, các giống lúa trồng khác có hàm lượng sắt thấp trong nội nhũ hạt. Giống Sarjoo 52 có thể được sử dụng làm donor cho chương trình lai tạo giống lúa mới với hàm lượng sắt tăng cao.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672630820300238

Phân tích Semi-quantitative RT-PCR của các giống lúa. (A) Biểu hiện Ferritin trong hạt. (B) Gen actin được dùng làm gen nền chạy điện di trên agarose gel 1,5%. Cột 1 đến 12, O. rufipogon hạt chín, O. rufipogon hạt non, Madhukar hạt chín, Sarjoo 52 hạt non, Jalmagna hạt chín, Jalmagna prehạt non, Swarna hạt chín, Swarna Sub 1 hạt chín và Swarna Sub 1 hạt non.

Di truyền tính kháng rầy nâu – gen Bph35 trong cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Zhang Y, Qin G, Ma Q, Wei M, Yang X, Ma Z, Liang H, Liu C, Li Z, Liu F, Huang D, Li R. 2020. Identification of Major Locus Bph35 Resistance to Brown Planthopper in Rice. Rice Science, May 2020,  27(3):237-247

Bản đồ di truyền gen  Bph35 điều khiển tính kháng rầy nâu, định vị trên nhiễm sắc thể 4.

(A) gen  Bph35  nằm giữa PMS16 và R4M13, quần thể F2:3

 Chạy QTL  IciMapping  4.1,  giải thích được  51,27% biến thiên kiểu hình, với LOD score là 42,51.

 (B) Thu hẹp vùng giả định của  Bph35 còn 650 kb bằng “substitution mapping” những con lai tái tổ hợp (recombinants).

Dòng lúa RBPH660, dẫn xuất từ lúa hoang Oryza rufipogon, biểu hiện tính kháng rầy nâu (BPH) ổn định. Phân tích dòng con lai phân ly cho thấy tính kháng BPH của dòng lúa RBPH660 được điều khiển bởi đa gen/QTLs. Áp dụng phương pháp BSA (bulked segregant analysis) và giải trình tự DNA, hai vùng trong hệ gen cây lúa được tìm thấy có QTL điều khiển tính kháng rầy nâu, đó là quãng giữa 1,20 – 16,70 Mb trên nhiễm sắc thể 4; và quãng giữa 10,20 – 12,60 Mb trên nhiễm sắc thể 9 của dòng lúa RBPH660. Một locus chủ lực điều khiển tính kháng, có tên là Bph35 giải thích được 51,27% biến thiên kiểu hình, giá trị LOD là 42,51, định vị trên bản đồ di truyền - vùng chứa gen ứng cử viên của nhiễm sắc thể 4, giữa hai chỉ thị InDel (insertion-deletion): PSM16 - R4M13. Thực hiện fine mapping gen Bph35, một đoạn phân tử simple sequence repeat và ba đoạn phân tử mới để phát triển chỉ thị InDel. Chỉ thị ấy được người ta sử dụng để sàng lọc những dòng recombinants. Cuối cùng, locus Bph35 đã được thu hẹp lại vùng đích của nó là từ vị trí 6,28 đến vị trí 6,93 Mb. Có 18 gen dự đoán mã hóa protein với tổng cộng 114 vị trí biến thể đa hình SNP, mang bản chất “non-synonymous” (không đồng dạng), giữa bố mẹ biểu hiệu tính kháng và nhiễm rầy nâu. Ngoài những gen này ra, còn có gen Os04g0193950, mã hóa  NB-ARC giả định (nucleotide- binding adaptor được chia sẻ bởi APAF-1, R proteins và CED-4) và mã hóa protein có domain LRR (leucine-rich repeat) với 9 vị trí SNP substitutions mang tính chất không đồng dạng, trong vùng mang trình tự gen mã hóa protein. Chúng có thể là gen ứng cử viên của Bph35. Công trình này giúp các nhà chọn giống dễ dàng hơn trong thực hiện kỹ thuật map-based cloning đối với gen Bph35 và phát triển giống lúa cao sản, kháng rầy nâu ổn định.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S167263082030024X