Di truyền số lượng tính kháng bệnh của cây trồng

Nguồn: Florent Delplace, Carine Huard-Chauveau, Ullrich Dubiella, Mehdi Khafif, Eva Alvarez, Gautier Langin, Fabrice Roux, Rémi Peyraud, and Dominique Roby. 2020. Robustness of plant quantitative disease resistance is provided by a decentralized immune network. PNAS July 28, 2020 117 (30) 18099-18109

Nghiên cứu ở mức độ phân tử của phản ứng miễn dịch đã và đang được tập trung thảo luận về tính kháng số lượng (qualitative resistance), một loại hình miễn dịch xác định bởi ảnh hưởng của một vài gen. Trái lại, người ta có rất ít thông tin về tính kháng bệnh số lượng QDR (quantitative disease resistance), mặc dù người ta đã quan sát rất sâu tính kháng này của giống cây trồng và loài hoang dại. Người ta cố gắng tiếp cận phương pháp sinh học hệ thống (systems biology) để mô tả loại hình tính kháng như vậy, trên hệ miễn dịch của cây Arabidopsis thaliana. Theo nghiên cứu về sự điều tiết của gen và tương tác giữa protein với protein, người ta ghi nhận sự kiện tái cấu trúc của một hệ thống có tính chất phân tán và liên kết chặt chẽ, được tổ chức trong năm “modules” với cường lực khác nhau, cho kết quả đột biến di truyền khác nhau. Những nghiên cứu này cho thấy các chức năng then chốt của QDR, khác biệt chủ yếu từ kết quả miễn dịch của cây đã được xác định trước đây, và ảnh hưởng của ánh sáng trên phức hợp mang tính chất phản ứng của hệ miễn dịch thực vật. Tính kháng bệnh số lượng (QDR) biểu thị bản chất predominant của tính kháng trong quần thể cây trồng một cách tự nhiên. Có rất ít thông tin về hệ thống sinh học phân tử của sự truyền tín hiệu về trạng thái miễn dịch này của thực vật. Thiếu thông tin như vậy có thể dẫn đến kết quả là chúng ta chưa hiểu hết bản chất của tự nhiên vô cùng phức tạp, mang tính trạng số lượng ấy. Người ta sử dụng cách tiếp cận tổng hợp bao gồm phương pháp nghiên cứu genomics, tái cấu trúc hệ thống (network reconstruction), và phân tích đột biến để phân lập và làm rõ các mạng lưới có tính chất phân tử. Chúng kiểm soát QDR trong cây mô hình Arabidopsis thaliana, khi phản ứng với nguồn bệnh là vi khuẩn Xanthomonas campestris. Đối phó với thách thức như vậy, lần đầu tiên người ta đã hoàn thiện một phân tích transcriptomic, tập trung vào giai đoạn sớm của sự lây nhiễm - rồi sử dụng các dòng transgenic điều tiết ngược (deregulated) sự biểu hiện của gen RKS1 - gen nằm ở dưới một QTL liên quan đến tính kháng số lượng và có phổ kháng rộng đối với sự xâm nhiễm của vi khuẩn X. campestris. Biểu hiện của gen RKS1 cho thấy tính chất đa chức năng trong tế bào (truyền tín hiệu, vận chuyển ion, và điều hành các tiến trình biến dưỡng), khác biệt chủ yếu là phản ứng ETI (effector-triggered immunity), PAM (pathogen-associated molecular pattern), hoặc PTI (PAM-triggered immunity) - tiêu biểu của cây A. thaliana. Tương tác giữa protein và protein với tái cấu trúc hệ thống ấy đã cho thấy một hệ thống RKS1 mang tính chất phân tán cao và liên kết chặt, được tổ chức trong năm modules của gen. Những đột biến knockout của 41 gen thuộc về các modules có chức năng khác nhau của mạng lưới ấy, biểu thị 76% gen của tất cả "gene modules“, góp phần mang lại kết quả tính kháng của RKS1. Tuy nhiên, những modules có chức năng như vậy biểu thị cường lực khác nhau đối với đột biến di truyền. Như vậy, trong một cấu trúc có tính chất phân tán của hệ thống QDR, một vài modules  phục hồi tốt hơn những modules khác. Kết luận: công trình khoa học này làm rõ được tính chất phức tạp của QDR, cung cấp sự hiểu biết về hệ thống miễn dịch của QDR.

Xem https://www.pnas.org/content/117/30/18099

Nghiệm thức đèn LED làm đậu nành, lúa, rau dền chín sớm – rút ngắn chọn dòng con lai

Nguồn: Felix Jähne, Volker Hahn, Tobias Würschum & Willmar L. Leiser. 2020.  Speed breeding short-day crops by LED-controlled light schemes. Theoretical and Applied Genetics August 2020, vol. 133: 2335–2342

Phương pháp chọn giống đơn giản và nhanh đã được vận dụng để cải tiến tính chín sớm của giống đậu nành, trồng được 5 thế hệ con lai / năm, thông qua ứng dụng đèn LED với cường độ sáng và chất lượng sáng khác nhau. Cải tiến giống cây trồng là yếu tố chủ chốt của nông nghiệp hiện đại và tương lai, đáp ứng được sự bùng nổ dân số và biến đổi khí hậu ngày càng cực đoan. Tuy nhiên, tiến trình phát triển giống mới đòi hỏi quá nhiều thời gian lai và chọn con lai, với thời gian sinh trưởng của mỗi thế hệ kéo dài rất lâu. Gần đây, thuật ngữ speed breeding đã và đang được thảo luận đối với cây dài ngày, nhưng quy trình tương tự như vậy cho cây ngắn ngày vẫn chưa nhiều cho đến bây giờ. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta đưa ra một quy trình speed breeding (rút ngắn quá trình chọn giống) trên cơ sở thay đổi nghiệm thức đèn LED (light-emitting diodes). Điều này cho phép cải biên được chất lượng ánh sáng, và minh chứng tính hiệu quả trên cây ngày ngắn là đậu nành (Glycine max), lúa (Oryza sativa), rau dền (Amaranthus spp.). Điều chỉnh quang chu kỳ 10 giờ với ánh sáng blue-light, far-red trong quang phổ xử lý, đã làm cho thời gian tăng trưởng rút ngắn lại khoảng  23 ngày; từ ngày gieo đến thu hoạch là 77 ngày, cho phép người ta trồng 5 thế hệ con lai mỗi năm. Đối với cây lúa và cây rau dền, ngày từ gieo đến trổ bông 60 ngày (lúa) và 35  (rau dền). Điều thú vị là: nghiệm thức ánh sáng far-red thúc đẩy ngày trổ bông sớm hơn 10 ngày cho rau dền và 20 ngày cho lúa, mà không có tác động nào trong trường hợp của cây đậu nành! Như vậy, phẩm chất ánh sáng quyết định tốc độ cải tiến giống trong quy trình vận dụng. Rút ngắn thời gian cải tiến giống cây trồng ngắn ngày phải có những quy trình áp dụng chuyên biệt, rút ngắn thời gian cho các thế hệ con lai trong một năm, nhờ nghiệm thức đèn LED khác nhau, mà không cần đến công cụ nuôi cấy mô như kỹ thuật cứu phôi (embryo rescue). Hơn nữa, phương pháp này có thể được áp dụng đối với hệ thống trồng cây trong khay "multi-storey 96-cell tray-based system"” để thúc đẩy tốc độ cải tiến giống nhanh.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03601-4

Nghiên cứu transcriptomics của cây đậu xanh thông qua tích tụ sucrose của mô lá

Nguồn: Jungmin Ha, Sangrea Shim, Taeyoung Lee, Eunsoo Lee, Xuefei Yang, Haneul Jeong, Moon Young Kim, Suk-Ha Lee. 2020. Transcriptomic and biochemical analyses of the accumulation of sucrose in mungbean (Vigna radiata (L.) Wilczek) leaves after pod removal. Theoretical and Applied Genetics August 2020, volume 133: 2355–2362

Quả đậu xanh chín đồng thời (synchronous pod maturity) là tính trạng quan trọng quyết định năng suất đậu. Những gen ứng cử viên cho tính trạng này được xác định thông qua kỹ thuật RNA-seq và HPLC. Đậu xanh (Vigna radiata [L.] Wilczek), là nguồn carbohydrate và protein vô cùng quan trọng của người châu Á. Đậu xanh có đặc điểm quả chín không đồng thời (nonsynchronous pod maturity); do vậy, thu hoạch đậu xanh tốn rất nhiều công sức, phải thu nhiều lần bằng tay. Sự chín của quả đậu xanh gắn liền với sự tổng hợp và sự chuyển dịch của sucrose, người ta xem xét những thay đổi của hàm lượng sucrose và hệ thống transcriptome trên mô lá đậu (nguồn), rồi đến quả đậu (sức chứa), thông qua hai giống đậu xanh, VC1973A và V2984; giống VC1973A có tính trạng chín đồng đều cao hơn giống V2984. Sau khi quả đậu rụng, số quả thu được trên giống V2984 cao hơn giống VC1973A. Hàm lượng sucrose ở mô lá giảm đáng kể trong giống V2984 bởi vì nó tiếp tục sử dụng chất đồng hóa từ lá để sản sinh ra quả đậu mới, nhưng sucrose tăng đáng kể trong giống VC1973A bởi vì nó mất đi sức chứa (sink). Phân tích hệ transcriptome cho thấy rằng: số gen biểu hiện cao hơn gấp bốn lần trong giống đậu xanh VC1973A so với giống V2984 sau khi quả rụng. Sự biểu hiện của hai gen "paralogous" (Vradi01g05010 và Vradi10g08240), mã hóa enzyme beta-glucosidase, giảm đi đáng kể trong giống VC1973A sau khi quả rụng; và trở nên thấp hơn có ý nghĩa trong nghiệm thức giống VC1873A bị khử quả bằng tay (depodded) so với giống V2984 cũng bị khử quả. Điều này chứng minh rằng hai gen ấy tham gia vào hoạt động sử dụng sucrose phục vụ phát triển hạt đậu bằng cách điều tiết mức độ của glucose. Kết quả này làm sáng tỏ cơ sở di truyền của tính trạng chín đồng loạt của đậu xanh, cho phép người ta phát triển giống đậu xanh mới  có tính trạng quả chín đồng loạt.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03603-2

Gen SG3 mã hóa protein R2R3 MYB, quy định chiều dài hạt thóc

Nguồn: Qiuping Li, Li Lu, Haiyang Liu, Xufeng Bai, Xin Zhou, Bi Wu, Mengqi Yuan, Lin Yang, Yongzhong Xing. 2020. A minor QTL, SG3, encoding an R2R3-MYB protein, negatively controls grain length in rice. Theoretical and Applied Genetics August 2020; volume 133: 2387–2399

SG3 mã hóa protein R2R3 MYB liên kết chặt với QTLchủ lực GS3, điều tiết ngược chiều dài hạt thóc tùy theo biểu hiện gen GS3 trong cây lúa. Người ta rất khó khan khi phân lập một QTL thứ yếu, liên kết chặt với một QTL chủ lực trong cây lúa. Theo kết quả này, người ta đã tập trung xác định một QTL thứ yếu quy định chiều dài hạt thóc, đó là small grain 3 (SG3), nó liên kết chặt với QTL chủ lực grain size 3 (GS3). Ảnh hưởng di truyền của gen SG3 đối với tính trạng chiều dài hạt thóc tùy thuộc vào trạng thái của GS3. Ảnh hưởng di truyền của nó lớn hơn khi có sự hiện hữu của gen lặn nonfunctional sg3 nhiều hơn gen trội functional SG3. Số cây gần như đẳng gen F₂ mà trong đó GS3 đã được cố định với những alen có tính chất nonfunctional được người ta phát triển để dòng hóa gen SG3. Một gen mã hóa protein đóng vai trò regulator có tên là R2R3 MYB domain transcriptional regulator được phân lập, làm gen ứng cử viên SG3. Sự biểu hiện mạnh mẽ SG3 làm hạt thóc ngắn và cây lúa knockdown cho hạt thóc dài, điều này chứng minh rằng SG3 hoạt động như một negative regulator đối với chiều dài hạt thóc. SG3 biểu hiện trong gié lúa sau khi lúa trổ bông. SG3 hoạt động như một transcription activator. Phân tích chuỗi trình tự so sánh, người ta xác định một xen đoạn có kích thức 12-bp tại exon thứ ba của NYZ nó dẫn đến kết quả đột biến frameshift (dịch đoạn), kết quả là stop codon xuất hiện sớm hơn quy ước. Đột biến insertion/deletion kết hợp với tính trạng chiều dài hạt thóc khi có sự hiện hữu của gen GS3 ở giống lúa indica. Gen SG3 và GS3 thường liên kết ở trạng thái coupling trong giống lúa indica, làm chúng trở thành nguồn vật liệu đích rất tốt phục vụ chương trình cải tiến giống lúa có tính trạng chiều dài hạt mong muốn. Việc phân lập được gen SG3 MYB cung cấp cho chúng ta nguồn gen mới, góp phần vào hệ thống điều tiết gen đối với tính trạng chiều dài hạt thóc.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03606-z

Đa dạng di truyền lục lạp hệ gen cây sắn đối với tính kháng bệnh do virus lây nhiễm

Nguồn: BR De Marchi , T Kinene, R Krause-Sakate, LM Boykin, J Ndunguru, M Kehoe, E Ateka, F Tairo, J Amisse, P Sseruwagi. 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.

Sắn là cây lương thực chủ yếu của vùng cận sa mạc Sahara, châu Phi; giàu carbohydrates và proteins, nuôi sống hơn 800 triệu người trên thế giới này. Tuy nhiên, sắn đang đối diện với bệnh siêu vi được truyền đi bởi vector như bệnh khảm sắn và bệnh sọc nâu. Hiện nay, quản lý bệnh hại sắn do siêu vi chủ yếu nhờ vào tính kháng của giống sắn. Việc tìm ra những gen đích mới điều khiển tính kháng virus là vô cùng cần thiết trong cải tiến giống sắn cao sản thông qua phương pháp chọn giống truyền thống và phương pháp di truyền phân tử. Lạp thể (chloroplast) là mục tiêu phổ biến để virus phát triển trong cây sắn và cũng là nơi mà người ta tìm ra nguồn ngen kháng virus phục vụ yêu cầu cải tiến giống. Lá sắn bị nhiễm bệnh và không nhiễm bệnh được thu thập tại nhiều nơi ở Đông Phi như Tanzania, Kenya và Mozambique. Tách chiết RNA rồi sau đó là tạo nên các thư viện cDNA. Tiếp cận phương pháp Illumina sequencing, người ta thực hiện assembling và mapping các lần đọc (reads) trên tổng số 33 hệ gen lục lạp không hoàn toàn (partial chloroplast genomes). Phân tích Bayesian để tìm hiểu di truyền huyết thống của 55 gen mã hóa protein trong lục lạp, rồi hình thành cơ sở dữ liệu với 39 taxa được hoàn thiện. Cơ sở dữ liệu SNPs của lục lạp được xác định. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy mức độ đa dạng di truyền có trong hệ gen lục lạp của các giống sắn trồng tại Đông Phi. Đây là kết quả bổ sung có giá trị cho kết quả trước đây trong chọn nguồn vật liệu lai tạo giống sắn, giúp cho chương trình cải tiến giống sắn tốt hơn để có giống kháng bệnh được lây nhiễm bởi siêu vi.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32175188/

Cải tiến tính trạng củ sắn thông qua GWAS

Nguồn: BO Yonis, DP Del Carpio, M Wolfe, JL Jannink, P Kulakow, I Rabbi. 2020. Improving root characterisation for genomic prediction in cassava. Science Reports  2020 May 14;10(1):8003.  doi: 10.1038/s41598-020-64963-9.

Kết quả phân tích genome-wide association về tính trạng kích thước củ, hình dạng củ sắn thông qua mô phỏng de-regressed BLUPs căn cứ trên giá trị trung bình (chưa hiệu chỉnh về CMD). (A) diện tích. (B) đường kính; (C). feret; (D). độ chặt; (E). aspect ratio; (F). chu vi củ; (G). độ tròn. Đường thẳng ngang là ngưỡng cho phép Bonferroni theo thống kê.

Sắn được trồng ở vùng thường xuyên khô hạn, nhưng củ sắn rất giàu carbohydrate. Sự thiếu tính chất đồng đều của dạng hình và kích thước củ sắn ảnh hưởng rất nhiều đến năng suất thu hoạch và chất lượng bột sắn sau thu họach. Người ta đánh giá hiệu quả chọn lọc (GA: genetic gain)  và quần thể con lai F₁ (C1) của chương trình cải tiến giống sắn tại IITA (International Institute of Tropical Agriculture) thông qua phân tích image - chụp hình củ sắn trên đồng ruộng. Theo kết quả GWAS (genome-wide association analysis), người ta tìm thấy dạng củ sắn và kích cỡ củ sắn do QTL điều khiển nằm trên nhiễm sắc thể 1 và 12. Theo kết quả nghiên cứu trước đó, người ta tìm thấy QTL định vị trên NST 12 gắn với tính kháng bệnh CMD (cassava mosaic disease). Bởi vì tính trạng đồng nhất của củ sắn vô cùng quan trọng cho chọn giống, nên người ta tính toán độ lệch chuẩn (SD) của số liệu lấy từ từng cây sắn / mỗi dòng vô tính. Theo tính toán SD, người ta xác định QTL mới điều khiển tính trạng chu vi củ, feret và aspect ratio định vị trên NST 6, 9 và 16. Độ chính xác dự đoán của kích thước củ và hình dạng theo dữ liệu ảnh chụp đều lớn hơn tính trạng năng suất củ.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7224197/