Chỉnh sửa hệ gen bằng hệ thống CRISPR đối với vi khuần Agrobacterium spp.

Nguồn: Savio D. Rodrigues,  Mansour Karimi,  Lennert Impens,  Els Van Lerberge,  Griet Coussens,  Stijn Aesaert, Debbie Rombaut,  Dominique Holtappels,  Heba M. M. Ibrahim,  Marc Van Montagu,  Jeroen Wagemans,  Thomas B. Jacobs,  Barbara De Coninck, and Laurens Pauwels. 2021. Efficient CRISPR-mediated base editing in Agrobacterium spp. PNAS January 12, 2021; vol. 118 (2) e2013338118

Agrobacteria là vi khuẩn ký sinh cây trồng mà chúng có thể vận chuyển phân tử DNA đến tế bào thực vật như là một công đoạn của chiến dịch xâm nhiễm. Bản chất này được áp dụng nhiều thập niên qua để tạo ra cây transgenic, gần đây nhất, chuyển gen được chỉnh sửa vào tế bào thực vật. Tầm cỡ quan trọng của chúng đối với nghiên cứu và công nghệ, các chủng nòi vi khuẩn phòng thí nghiệm vẫn chưa được cải tiến nhiều qua những năm nói trên, cũng như nhiều vấn đề sinh học của vi khuẩn Agrobacterium và sự phát sinh bệnh (pathogenesis) vẫn còn chưa rõ ràng. Người ta cố gắng phát triển một phương pháp tiếp cận mới: chỉnh sửa bằng CRISPR để cải biên hệ gen vi khuẩn Agrobacterium. Người ta quan sát những thay đổi nucleotide đơn có thể được du nhập vào vị trí đích cho cả hệ gen vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens và Agrobacterium rhizogenes. Phân tích toàn hệ gen (whole-genome analysis) của những chủng nòi được cải biên ấy ghi nhận chỉ có một số lượng nhỏ nhất định các đột biến không mong muốn unintentional. Agrobacterium spp. là những pathogens quan trọng gây ra bệnh crown gall hoặc hairy root. Sự lây nhiễm độc đáo của chúng tùy thuộc vào cách vận chuyển một phần DNA của chúng vô tế bào thực vật. Nhờ khả năng tuyệt vời ấy, những phytopathogens trở thành công cụ sinh học có ích và cần thiết phục vụ công nghệ di truyền và công nghệ sinh học nông nghiệp. Mặc dù vi khuẩn Agrobacterium spp. là những công cụ chuẩn mực đối với các nhà nghiên cứu sinh học phân tử, những các chủng nòi vi khuẩn hiện nay ở nhiều phòng thí nghiệm vẫn chưa có những biến thể mới qua nhiều thập niên và phân tích chức năng của gen trong Agrobacterium vẫn còn nhiều khó khăn bởi chiến lược đột biến tự nhiên đòi hỏi nhiều thời gian. Do đó, người ta đã phát triển công  nghệ chỉnh sửa gen bằng hệ thống men  CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) để có đột biến điểm tại đích đến mong muốn vào genome vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens và Agrobacterium rhizogenes. Người ta tạo ra được chủng nòi vi khuẩn EHA105 có đột biến kiẻu loss-of-function tại alen recA, mà gen này hoàn toàn có chức năng đối với chuyển nạp gen cho cây bắp (Zea mays), xác định được bản chất quan trọng của RolB and RolC để phát triển rễ tơ (hairy root) nhờ vi khuẩn A. rhizogenes K599. Phương pháp này có hiệu quả rất cao trong 9 thuộc 10 colonies sau chuyển nạp, chỉnh sửa được ít nhất 80% tế bào. Các hệ gen chủng nòi vi khuẩn EHA105 và K599 đã được chạy trình tự lại, phân tích đột biến không mong muốn trên toàn hệ gen được áp dụng để  nghiên cứu những chủng nòi chỉnh sửa gen sau khi chữa lỗi plasmid đóng vai trò base editor. Sự xuất hiện của những off-targets (đích đến không mong muốn) được định tính bằng kỹ thuật Cas9-independent off-targeting và point to TC motifs như hoạt động của những điểm nóng của men cytidine deaminase. Như vậy kỹ thuật CRISPR-mediated base editing đã khởi động được cái gọi là “engineering the engineer,” dẫn đến cải tiến chủng nòi vi khuẩn Agrobacterium để hiệu quả chuyển nạp gen cho cây trồng tốt hơn trong trường hợp chỉnh sửa hệ gen hiện nay trên toàn thế giới.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/2/e2013338118

Tiến trình thuần hóa giống đậu nành ở Hàn Quốc

Nguồn: Myung-Shin Kim, Roberto Lozano, Ji Hong Kim, Dong Nyuk Bae, Sang-Tae Kim, Jung-Ho Park, Man Soo Choi, Jaehyun Kim, Hyun-Choong Ok, Soo-Kwon Park, Michael A Gore, Jung-Kyung Moon, Soon-Chun Jeong. 2021. The patterns of deleterious mutations during the domestication of soybean. Nat. Commun. 2021 Jan 4;12(1):97.  doi: 10.1038/s41467-020-20337-3.

Trên thế giới, đậu nành chính thức  là cây cung cấp protein và dầu. Sự hiểu biết càng nhiều về quá trình thuần hóa giống đậu nành trồng trọt và tiến trình cải tiến giống sẽ càng giúp cho người ta thao tác tốt hơn nội dung chọn giống nhờ chỉ thị phân tử. Người ta thực hiện lập bản đồ theo kiểu “genome-wide variation map” với 10,6 triệu chỉ thị SNPs và 1,4 triệu chỉ thị indels, chạy trên 781 cá thể giống đậu nành, bao gồm 418 mẫu giống được thuần hóa (Glycine max) và 345 mẫu hoang dại (Glycine soja), 18 mẫu giống lai tự nhiên (G. max/G. soja). Người ta tìm thấy có 183 lượt quét có chọn lọc theo hướng thuần hóa (domestication-selective sweeps); những thành phần của đột biến giả định có tính mất đoạn, trong suốt tiến trình thuần hóa giống đậu nành và cải tiến giống đậu nành. Loài tự phối này chỉ ra 7,1% sự suy giảm do đột biến mất đoạn trong mẫu giống đậu nành thuần hóa và đậu nành hoang dại có liên quan, 1,4% sự suy giảm từ giống bản địa cho đến mẫu giống cải tiến. Kết quả quét có chọn lọc theo hướng thuần hóa còn cho thấy nhiều mức độ suy giảm của những alen bị mất đoạn. Quan trọng hơn hết là việc đổ tội cho kiểu gen có trong tài nguyên di truyền này làm tăng hiệu quả của GWAS đối với tính trạng hàm lượng protein và hàm lượng dầu của hạt đậu trong cái gọi là "soybean diversity panel'’ (tập đoàn đậu nành đa dạng).

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33397978/

Nup84 của nấm gây bệnh đạo ôn lúa ở thời kỳ gián phân giảm nhiễm

Nguồn: Mariel A Pfeifer, Chang Hyun Khang. 2021. Nup84 persists within the nuclear envelope of the rice blast fungus, Magnaporthe oryzae, during mitosis. Fungal Genet. Biol. 2021 Jan; 146:103472.  doi: 10.1016/j.fgb.2020.103472.

Tái sắp xếp lại màng bao nhân (nuclear envelope) của nấm gây bệnh đạo ôn lúa, Magnaporthe oryzae, chưa được xác định trước đây. Công trình nghiên cứu này xác định hai hợp phần có tính bảo thủ của cơ quan nuclear envelope, đó là core nucleoporin, Nup84, một protein có tính chất màng bao bên trong nhân, Src1. Người ta xử lý mẫu tế bào sống trong kính hiên vi có độ thể hiện cao cho thấy Nup84-tdTomato và Src1-EGFP cùng định vị  trong cơ quan nuclear envelope trong thời kỳ interphase và Nup84-tdTomato duy trì sự kết hợp chặt với nhân trong khi phân bào. Nguòi ta còn tìm thấy đĩa bám (appressorium) phát triển trong giai đoạn dịch chuyển về hai cực khi phân bào (mitotic nuclear migration) thông qua ống mầm (germ tube).

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32980454/

Động thái cấu trúc quần thể nòi nấm gây bệnh đạo ôn lúa Pyricularia oryzae qua 18 vụ, ở Quảng Đông, trung Quốc

Nguồn: Zhipeng Huang, Jinyan Wang, Yaling Zhang, Yongxiang Yao, Lifei Huang, Xueyan Yang, Ling Wang, Qinghua Pan. 2021.  Dynamics of Race Structures of Pyricularia oryzae Populations Across 18 Seasons in Guangdong Province, China.  Plant Dis. 2021 Jan;105(1):144-148.  doi: 10.1094/PDIS-07-20-1438-RE. 

Bệnh đạo ôn lá do nấm Pyricularia oryzae gây ra, được thống nhất quản lý bằng biện pháp giống kháng kết hợp với kỹ thuật canh tác. Ở đây, kiến trúc nòi nấm (race) P. oryzae tại tỉnh Guangdong, Trung Quốc, nơi đang trồng hai vụ lúa trong năm, được đánh giá qua 18 vụ, từ năm 1999 đến 2008. Phân tích dựa trên thang điểm phản ứng bệnh của 7 giống lúa chuẩn nòi Trung Hoa (differential Chinese cultivars) khi cấy bào tử nấm, với quần thể bao gồm 1.248 mẫu phân lập (isolates) của  P. oryzae ở tại tỉnh này. Thông số "total race frequency" biến thiên từ 14,7 đến 39,7%, thông số "race diversity index" biến thiên từ 0,63 đến 0,93. Mười hai nòi (ZA63, ZA31, ZA29, ZA21, ZA13, ZA9, ZB30, ZB17, ZB8, ZB2, ZC14, và ZC8) được ghi nhận có tính chuyên biệt cho loại hình cây lúa indica  và hai nòi (ZD8 và ZD3) cho  japonica. Trong 59 nòi khác nhau, chỉ có hai nòi indica  (ZC13 và ZC15) được phân lập thành population-common. Chín nòi indica  (ZB1, ZB5, ZB6, ZB7, ZB13, ZB15, ZC5, ZC13, và ZC15), một nòi japonica (ZG1) được cho là population-dominant; thông số "total top two race isolate frequency" biến thiên từ 29,8 đến 74,5%. Trong vùng dịch, động thái kiến trúc kháng của bộ giống chuẩn nòi được người ta chia ra thành 3 phần như sau: hai giống tẻ Tép và Kanto 51 đểu thể hiện phản ứng kháng cao nhất và ổn định nhất. Hai giống Sifeng 43 và Lijiang xin tuan heigu thấp hơn rất nhiều và kém ổn định. Giống Zhenlong 13, Dongnong 363, và Heijiang 18 biểu hiện kháng trung bình và kháng theo mùa. Ba điểm nhấn giúp phân biệt những kiến trúc nòi nấm  của quần thể P. oryzae ở miền Nam và Đông Bắc Trung Quốc đã được thảo luận trong bài viết chi tiết.

Xem: https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/PDIS-07-20-1438-RE?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed

Hình 1: Biến thiên theo không gian về tần suất tính kháng của bộ giống lúa chuẩn nòi đối với quần thể nấm gây bệnh đạo ôn ở Quảng Đông. Chữ viết tắt 99L có nghĩa là vụ lúa muộn July-December 1999; 00E là vụ lúa sớm March–July 2000; etc...