DI TRUYỀN TÍNH TRẠNG HÀM LƯỢNG DẦU ĐẬU PHỤNG

Nguồn: Nian Liu, Jianbin Guo, Xiaojing Zhou, Bei Wu, Li Huang, Huaiyong Luo, Yuning Chen, Weigang Chen, Yong Lei, Yi Huang, Boshou Liao, Huifang Jiang. 2020. High‑resolution mapping of a major and consensus quantitative trait locus for oil content to a ~0.8‑Mb region on chromosome A08 in peanut (Arachis hypogaea L.). Theoretical and Applied Genetics (2020) 133:37–49

Bản đồ di truyền QTL phân giải cao trên cơ sở kỹ thuật ddRAD-seq gồm có tất cả 2595 loci xác định được QTL chủ lực và QTL giả định liên kết với marker trong quãng rộng 0,8 Mb, quyết định tính trạng hàm lượng dầu trong hạt đậu phụng. Mục tiêu chính trong chọn giống đậu phụng là số lượng và chất lượng dầu trong hạt. Bản đồ QTL phân giải cao (high-resolution map) với những markers tương ứng liên kết chặt với vùng đích có khả năng giúp nhà chọn giống thực hiện nguyên tắc chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS).  Người ta phát triển quần thể con lai RILs (recombined inbred lines) từ tổ hợp lai giữa Xuhua 13 × Zhonghua 6. Bản đồ di truyền được thực hiện  theo kỹ thuật ddRAD-seq (double-digest restriction-site-associated DNA sequencing). Bản đồ di truyền có tổng cộng 2595 loci được xác định, bao phủ trên 2465,62 cM, khoảng cách trung bình là 0,95 cM/locus. Bảy QTLs quy định tính trạng hàm lượng dầu được xác định trên năm LGs (linkage groups), bao gồm QTL chủ lực và ổn định, được đặt tên là qOCA08.1 định vị trên nhiễm sắc thể A08, giải thích được 10,14–27,19% biến thiên kiểu hình. Khoảng cách vật lý của qOCA08.1 giới hạn trong quãng có độ lớn phân tử là ~0,8 Mb. Hai gen ảnh hưởng đến hàm lượng dầu đã được chú thích di truyền (annotated). Chỉ thị phân tử SNPOCA08 được phát triển trong bộ chỉ thị SNP loci liên quan đến hàm lượng dầu đậu phụng, minh chứng được dòng đậu phụng nào có kiểu hình hàm lượng dầu mong muốn. QTL chủ lực liên kết chặt chẽ với marker, quy định tính trạng hàm lượng dầu sẽ rất có ích cho nhà chọn giống thực hiện MAS.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03438-6

Chiến lược eQTL mapping trong nghiên cứu di truyền cây đa bội thể

Nguồn: Kang-Hsien Fan, Katrien M. Devos & Paul Schliekelman. 2020. Strategies for eQTL mapping in allopolyploid organisms. Theoretical and Applied Genetics August 2020; vol. 133:2477–2497

Người ta mô phỏng theo thuật toán để khắc phục sai số phân tích, bằng kỹ thuật mới có tên là eQTL mapping trong nghiên cứu cây trồng dị đa bội thể (allopolyploid) và đưa ra quy trình hướng dẫn cách áp dụng eQTL mapping. Kỹ thuật RNA-seq gần đây đã trở thành kỹ thuật chính trong nghiên cứu eQTL (e: có nghĩa là explained). Tuy nhiên, hầu như chỉ được áp dụng cho cây trồng lưỡng bội. Nhiều loài cây trồng có giá trị kinh tế cao và quan trọng cho môi trường thuộc thực vật đa bội thể, cách tiếp cận với eQTL mapping vẫn chưa được phát triển đầy đủ. Có sự tương đồng rất lớn  giữa những gen lập đoạn (duplicated genes) trong cây polyploids sẽ gây ra việc sắp xếp nhầm lẫn  các reads của kết quả chạy trình tự DNA; và cũng có thể gây ra những kết quả dương tính giả (false-positive results), thiếu khả năng tìm kiếm những QTL có thể giải thích được biến thiên kiểu hình:  eQTL. Theo công trình nghiên cứu này, lần đầu tiên người ta khai thác thành công tính chất đồng dạng của phân tử transcripts (homoeologous) của sinh vật đa bội. Một là, người ta thấy 5–20% gen (biến thể của hệ gen sinh vật) đặc biệt của những cây trồng quan trọng như lúa mì, đậu nành và cỏ switchgrass, mức đa dạng giữa những genome có tính chất lập đoạn (duplicated genomes) rất thấp, thực hiện chức năng đọc trình tự. Hai là, tác động của đọc sai (misassigned reads) trên đoạn phân tử eQTL mapping, phản ứng dương tính giả cũng như âm tính giả có thể bùng lên rất mạnh mẽ. Ba là, khi so sánh 4 nghiệm thức (NT) về kỹ thuật đọc có tính chất không rõ ràng như vậy (ambiguous reads): (NT1) ambiguous reads tách biệt ra giữa những phân tử transcripts đồng dạng, (NT2) chia trình tự cho chúng theo tỷ lệ (assigning proportionally), (NT3) sử dụng tất cả reads đối với tất cả genes, và (NT4) loại ra hẳn những ambiguous reads (kết quả đọc không rõ). Kết quả nghiệm thức loại bỏ hẳn những kết quả đọc không rõ cho kết quả cân bằng tốt nhất giữa mức độ dương tính giả và âm tính giả đối với hầu hế gen đích. Tuy nhiên, đối với gen nào rất giống nhau giữa những genomes, việc thực hiện tất cả reads chỉ là một cách lựa chọn mà thôi. Điều này dẫn đến làm suy giảm khả năng của kỹ thuật di truyền nói trên, nhưng tỷ lệ dương tính giả sẽ vần duy trì. Người ta thảo luận QTL mapping trong cây trồng đa bội thể thông qua ASE (allele-specific expression); chỉ ra rằng: tần suất nào của những reads mang tính chất ASE-informative đều có mức biến dạng có ý nghĩa, tùy theo mức đa dạng di truyền của những gen tương đồng (homoeologous genes).

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03612-1

Tổng hợp xyloglucan trong thành tế bào & chức năng CSLC

Nguồn: Sang-Jin Kim, Balakumaran Chandrasekar, Anne C. Rea, Linda Danhof, Starla Zemelis-Durfee, Nicholas Thrower, Zachary S. Shepard, Markus Pauly, Federica Brandizzi, and Kenneth Keegstra. 2020. The synthesis of xyloglucan, an abundant plant cell wall polysaccharide, requires CSLC function. PNAS August 18, 2020 - 117(33): 20316-20324

Tế bào thực vật có thành tế bào với vật liệu chính là polysaccharide, duy trì cấu trúc và chức năng của chúng, làm chúng có hình dạng đặc biệt nhất định. Nhận diện các thành phần của thành tế bào rất cần thiết để biết được chúng tăng trưởng như tế nào và phân hóa chức năng ra sao. Một phân tử matrix polysaccharide được giả định là có chức năng quan trọng để nhận biết xyloglucan (XyG). Cấu trúc XyG được hiểu biết rõ ràng, nhưng cơ chế sinh tổng hợp của nó lại không rõ. Thông qua kết quả nghiên cứu di truyền gen CSLC của cây  Arabidopsis, người ta chứng minh rằng: chúng có chức năng sinh tổng hợp khung sườn XyG glucan. Một đột biến quintuple cslc có khả năng giúp cây phát triển bình thường, nhưng thiếu XyG. Câu hỏi đặt ra là cấu trúc thành tế bào trong suốt giai đoạn tăng trưởng và việc tái cấu trúc diễn ra như thế nào. Hàng loạt các thể đột biến cslc đã được dùng làm công cụ nghiên cứu, để giải thích câu hỏi này. Xyloglucan (XyG) là thành phần có rất nhiều trong thành tế bào sơ cấp của cây trồng. Cấu trúc của XyG đã được nghiên cứu khá kỹ, nhưng sinh tổng hợp XyG vẫn chưa có nhiều kết quả công bố. Người ta áp dụng phương nghiên cứu theo reverse genetics (di truyền ngược) để xem xét vai trò của men cellulose synthase trong cây Arabidopsis ví dụ như protein-C (CSLC) trong sinh tổng hợp XyG. Người ta thấy có những thể đột biến độc lập (single mutants) mang phân tử T-DNA ở một trong năm gen CSLC của Arabidopsis, biểu thị mức độ bình thường của XyG. Tuy nhiên, những biến thể có tính chất higher-order cslc làm giảm đáng kể hàm lượng XyG. Một biến thể làm đột phá 5 gen CSLC này không có khả năng tìm thấy XyG (mức độ bằng không). Những đột biến có tính chất higher-order như vậy, đã tăng trưởng từ những kiều hình có mô đặc biệt (mild tissue-specific phenotypes). Trong trường hợp tạm thời không có XyG, đột biến cslc quintuple (quintuble: gấp 5 lần) không làm thay đổi đáng kể sự biểu hiện của gen trong toàn bộ genome, ngoại trừ  sự bù đắp có tính chất phiên mã (transcriptional compensation) xảy ra. Dạng đột biến quintuple có thể xảy ra trong mỗi gen của 5 gen nói trên (five CSLC genes), cho thấy mỗi gen mã hóa một dạng XyG glucan synthase riêng biệt. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy: các gen CSLC trãi rộng trong tất cả loài thực vật và tiến hóa từ một tổ tiên chung nhất nào đó. Vai trò của các gen CSLC gắn với sinh tổng hợp XyG, những đột biến ở đây có giá trị như những công cụ di truyền phân tử một cách chi tiết, liên quan đến tiến trình sinh tổng hợp XyG, vai trò XyG trong thành tế bào thực vật, và chức năng XyG.

Xem See https://www.pnas.org/content/117/33/20316.

Kiến trúc di truyền của teosinte – tổ tiên của loài bắp trồng hiện nay

Nguồn: Q Chen, LF Samayoa, CJ Yang, PJ Bradbury, BA Olukolu, MA Neumeyer, MC Romay, Q Sun,  A Lorant, ES Buckler, J Ross-Ibarra, JB Holland, JF Doebley. 2020. The genetic architecture of the maize progenitor, teosinte, and how it was altered during maize domestication. PloS Genet.; 2020 May 14;16(5):e1008791.

Di truyền liên quan đến thuần hóa đã được khai thác rất sâu, từ sau định luật Mendel ra đời cho đến nay. Di truyền tính trạng của ancestors (tổ tiên) so sánh với dòng con cháu hiện đại, những khác biệt đã được phân tích. Câu hỏi đặt ra là: quá trình thuần hóa như vậy đã làm thay đổi kiến trúc di truyền như thế nào, thông qua so sánh kiến trúc di truyền của 18 tính trạng được thuần hóa trong cây bắp và tổ tiên chúng '‘teosinte'’ bằng những quần thể có tính chất khớp với mục tiêu tính trạng (matched populations). Người ta quan sát số QTL giảm đáng kể của những tính trạng thuần hóa trong cây bắp so với loài teosinte, sự suy giảm quá mức của những additive variance (biến thiên di truyền gen ảnh hưởng cộng tính) bởi sự chọn lọc của con nngười trong suốt thời kỳ thuần hóa ấy. Người ta quan sát có nhiều hơn ảnh hưởng gen tính trội (dominance) trong cây bắp trồng so với teosinte, như một kết quả của những biến thể additive và selective. Ảnh hưởng rất lớn của QTL có tần suất alen thứ yếu MAF diễn ra trong cây bắp bình thường và cây teosinte (MAF: minor allele frequency). Các vùng mục tiêu trong genome rất khác biệt nhau giữa cây teosinte và cây bắp FST cao, giải thích được biến dị di truyền số lượng trong cây bắp thấp hơn so với cây teosinte. Trong vùng ấy, các biến thể alen tiếp cận gần với mục tiêu cố định di truyền (fixation), trong tiến trình thuần hóa. Các vùng đích trong genome có tái tổ hợp cao, giải thích tần suất lớn, không cân xứng của biến dị di truyền, cả trước và sau thuần hóa. Cuối cùng, khoảng 75% variance mang tính chất additive của cây teosinte và cây bắp đang biến mất (missing) trong ngữ cảnh không phải do QTL. Chỉ có 25% bản đồ biến thể đặc thù với những QTL đích biểu hiện rõ ràng. Sự tiến hóa hình thái của cây bắp trong tiến trình thuần hóa đã góp phần rất lớn vào gia tăng số lượng QTLs có những ảnh hưởng rất nhỏ.

Xem: See https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32407310/

Di truyền tính trạng chống đỗ ngã của cây bắp

Nguồn: Z Zhang, X Zhang, Z Lin, J Wang, H Liu, L Zhou, S Zhong, Y Li, C Zhu, J Lai, X Li, J Yu, Z Lin. 2020. A Large Transposon Insertion in the stiff1 Promoter Increases Stalk Strength in Maize. Plant Cell 2020 Jan;32(1):152-165.  doi: 10.1105/tpc.19.00486.

Thân đỗ ngã được xác định là tính trạng di truyền quyết định độ cứng của thân (stalk strength), liên quan đến thất thoát năng suất  của cây bắp (Zea mays) khi trồng với mật độ cao / ha. Tuy nhiên, cơ sở di truyền phân tử  tính trạng độ cứng chắc của thân chưa được rõ ràng, phương pháp cải tiến vấn đề này chưa hiệu quả. Những nhà khoa học tham gia công trình này thực hiện dòng hóa gen đích bằng bản đồ di truyền linkage, kết hợp với phân tích bản đồ association, sau đó xác định gen stiff1 - một QTL (major quantitative trait locus) chủ lực, điều khiển tính trạng stalk strength của cây bắp. Phân tử chèn đoạn có kích thước 27.2-kb - thuộc transposable element insertion có mặt ở vùng promoter của gen stiff1. Gen này mã hóa protein có tên là F-box domain protein. Đoạn phân tử chèn vào có tính chất chuyển vị (transposable element: TE) ức chế phiên mã của gen stiff1, dẫn đến gia tăng cellulose và lignin trong thành tế bào, tạo nên thân cứng chắc hơn. Hơn nữa, một alen được chỉnh sửa một cách chính xác stiff1 qua hệ thống CRISPR/Cas9, làm cho cây cải biên có thân cứng chắc hơn rất nhiều so với cây đối chứng (không chỉnh sửa alen). Phân tích đa dạng nucleotide cho thấy: promoter của gen stiff1 đã được chọn lọc một cách tích cực. Dòng hóa gen đích stiff1 trong trường hợp TE (transposable element) có vai trò quan trọng trong cải tiến giống bắp. Xác định gen stiff1, rồi chỉnh sửa gen này là cách thức cải tiến giống bắp chống đỗ ngã tốt, thân cứng chắc hơn.

Xem http://www.plantcell.org/content/32/1/152.long

Bản đồ phân giải cao gen stiff1. (A) Bản đồ QTL tính trạng stalk strength trên NST6, giải thích được 23.8 và 15.6% biến thiên kiểu hình của stalk BS và RPR, theo thứ tự. (B) Bản đồ phân giải cao của stiff1. Chỉ có 4 trong 14 markers thực hiện fine-mapping. (C) Phân tích trình tự DNA của đoạn phân tử 58-kb giữa 2 bố mẹ, B73 và Ki11. Hai insertions có kích thước 27.2 kb và 578 bp xuất hiện trong B73 ở vị trí −1094 và −392 trong promoter của gen Zm00001d036653, sử dụng Ki11 sequence làm tham chiếu.  (D) Bản đồ association với mô phỏng toán mixed linear cho thấy vùng chèn đoạn, mất đoạn lớn tại vị trí −1094 của promoter stiff1 tương quan chặt với stalk BS. (E) stiff1 protein sequence được so sánh giữa B73 và Ki11. Protein F-box domain biểu thị màu đỏ.