Tối đa hóa hiệu quả chọn lọc giống bắp bằng sàng lọc di truyền của cả hệ gen

Nguồn: Sikiru Adeniyi Atanda, Michael Olsen, Juan Burgueño, Jose Crossa, Daniel Dzidzienyo, Yoseph Beyene, Manje Gowda, Kate Dreher, Xuecai Zhang, Boddupalli M. Prasanna, Pangirayi Tongoona, Eric Yirenkyi Danquah, Gbadebo Olaoye & Kelly R. Robbins. 2021. Maximizing efficiency of genomic selection in CIMMYT’s tropical maize breeding program. Theoretical and Applied Genetics January 2021, vol. 134:279–294. 

Cơ sổ dữ lịệu của chương trình lai tạo giống bắp có thể được sử dụng một cách hiệu quả để cải tiến mức độ chính xác của sàng lọc hệ gen (genomic selection), đặc biệt là tập đoàn training set được tối ưu hóa thành những cá thể mang tính chất subset có nhiều thông tin di truyền nhất đối với tập đoàn target testing set. Chiến lược nghiên cứu hiện đại để nhà chọn giống thực hiện kỷ năng trên mức độ rộng về sàng lọc di truyền toàn bộ hệ gen (genomic selection: ký hiệu là GS), được thực hiện tại CIMMYT (International Maize and Wheat Improvement Center) bằng cách khảo sát những models sử dụng nguồn thông tin từ dòng con lai full-sibs theo bố trí thí nghiệm kiểu “test-half-predict-half approach.” Cho dù kết quả rất tốt, nhưng cách tiếp cận này cũng có những hạn chế nhất định, vì nó cần có những quần thể lớn full-sib và hạn chế khả năng  rút ngắn thời gian khảo nghiệm giống, rút ngắn thời gian của những thế hệ con lai. Mục tiên nghiên cứu là xác định kiểu bố trí thí nghiệm tối hảo và kiểu tập đoàn training tối hảo để tối đa hóa  giá trị chính xác trong dự đoán theo GS thuộc chương trình lai tạo giống bắp của CIMMYT. Tập đoàn training set (TS) được đánh giá để xác định sử dụng cơ sở dữ liệu kiểu hình sao cho đạt hiệu quả cao nhất đối với giá trị GP (genomic prediction) trên cơ sở dữ liệu bao gồm 849 (DS1) và 1389 (DS2) dòng đơn bội kép DH được đánh giá như thí nghiệm testcrosses vào năm 2017 và 2018, theo thứ tự. Có một kết quả tuyệt vời khi người ta sử dụng quần thể multiple bi-parental làm tập đoàn TS khi sàng lọc bằng các thuật toán để tối đa hóa các giá trị relatedness (từ họ hàng thân thuộc) giữa tập đoàn training và tập đoàn prediction. Theo chương trình cải tiến giống bắp này ở đó những thông tin số liệu trong quá khứ bị thất lạc hoặc không có đủ, người ta phải khai thác số liệu kiểu hình có trong quần thể bi-parental bằng cách chỉ đánh giá kiểu hình một số lượng nhỏ các dòng lấy ra từng mỗi quần thể con lai. Điều này đã cải thện đáng kể mức độ chính xác giá trị dự đoán so với phương pháp dự đoán trong cùng một quần thể (within-population prediction), đặc biệt khi tập đoàn TS dùng trong dự đoán full-sib có quy mô nhỏ. Cuối cùng, người ta chứng minh được giá trị chính xác của dự đoán dùng cho cả phương pháp sparse testing hoặc “test-half-predict-half” được cải thiện rất nhiều bằng cách tối ưu hóa những dòng con lai trồng ngoài ruộng để đánh giá kiểu hình, và dòng con lai chỉ được đánh giá kiểu gen để ghi nhận sự tiến bộ trên cơ sớ sàng lọc di truyền toàn bộ hệ gen GP.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03696-9

Gen mã hóa xyloglucan galactosyltransferase kéo dài trục mang lá mầm dưa leo

Nguồn: Keyan Zhang, Junsong Pan, Yue Chen, Ying Wei, Hui Du, Jingxian Sun, Duo Lv, Haifan Wen, Huanle He, Gang Wang & Run Cai. 2021.  Mapping and identification of CsSh5.1, a gene encoding a xyloglucan galactosyltransferase required for hypocotyl elongation in cucumber (Cucumis sativus L.). Theoretical and Applied Genetics February 2021; Vol.134(2): 435 - 451

Gen CsSh5.1, điều khiển sự kéo dài trục mang lá mầm dưa leo khi nhiệt độ nóng, được phân tích bản đồ di truyền ở quãng phân tử 57,1 kb rtrên nhiễm sắc thể 5 bao gồm một gen ứng cử viên mã hóa xyloglucan galactosyltransferase.

Sự tăng trưởng của trục mang lá mầm (hypocotyl) là tiến trình sinh học khi hạt nẩy mầm và tăng trưởng thành cây. Sự vươn dài trục hypocotyl sau khi nẩy mầm liên quan đến sự kéo dài tế bào nhiều hơn sự phân bào. Sự kéo dài tế bào được xác định bởi khả năng kéo dãn linh hoạt của thành tế bào. Người ta phân lập được  một dòng lưa leo đột biến tự phát (Cucumis sativus L.), gen lặn sh5.1, ức chế kiểu hình không nhạy cảm nhiệt với trục mang lá mầm ngắn. Kết quả phân tích di truyền cho thấy kiểu hình của alen lặn sh5.1 là gen đồng hợp tử ở trong nhân. CsSh5.1 được ghi nhận trên bản đồ di truyền với độ lớn phân tử 57,1 kb trên nhiễm sắc thể 5, bao gồm 8 gen dự đoán. Kết quả đọc trình tự gen cho thấy Csa5G171710 là gen ứng cử viên của CsSh5.1, gen này được tái xác định thông qua kết quả phân tích đồng phân ly di truyền và kết quả DNA sequencing hệ gen trong những biến thể giống dưa leo trong tự nhiên. Kết quả cho thấy sự kéo dài trục mang lá mầm có thể được điều khiển bởi gen này. CsSh5.1 mã hóa men xyloglucan galactosyltransferase gắn bổ sung đặc biệt galactose vào xyloglucan và hình thành nên galactosylated xyloglucans, chúng xác định sức mạnh và độ kéo dãn của thành tế bào. CsSh5.1 biểu hiện trong giống dưa leo WT (wild-type) với trục mang lá mầm cao hơn có ý nghĩa so với dưa leo mang gen sh5.1 trong điều kiện nhiệt độ nóng của khí quyển, như vậy, gen nói trên có vai trò quan trọng giúp kéo dài trục mang lá mầm khi nhiệt độ nóng. Xác định gen CsSh5.1 giúp cho nhà chọn giống nhận rõ chức năng của xyloglucan galactosyltransferase trong kéo dãn thành tế bào, giúp chúng ta hiểu cơ chế của sự vươn dài trục mang lá mầm dưa leo.

Xem https://link.springer.com/journal/122/volumes-and-issues/134-2

Bản chất bất thụ của nuốm nhụy cái cà chua và sản xuất hạt lai F₁

Mo-zhen Cheng, Chao Gong, Bo Zhang, Wei Qu, Hao-nan Qi, Xiu-ling Chen, Xing-yuan Wang, Yao Zhang, Jia-yin Liu, Xiao-dong Ding, You-wen Qiu & Ao-xue Wang. 2021. Morphological and anatomical characteristics of exserted stigma sterility and the location and function of SlLst (Solanum lycopersicum Long styles) gene in tomato. Theoretical and Applied Genetics February 2021; vol. 134: 505–518.

Những thay đổi về giải phẩu học và vai trò của hormone tại nuốm nhụy cái cà chua được nghiên cứu. Người ta tiến hành phân tích chức năng và vị trí của gen SlLst đối với nuốm nhụy cái dạng exerted bằng kỹ thuật SLAF-BSA-seq, parental resequencing và cho biểu hiện mạnh mẽ gen SlLst trong cà chua. Mẫu giống cà chua số T431 sản sinh ra nuốm nhụy cái trong điều kiện nhiệt độ tương đối cao (> 27 °C, nhiệt độ trùng bình của vùng Harbin, China, trong tháng Sáu - tháng Tám), nóng đến nổi hạt phấn rất hiếm khi đến được nuốm nhụy cái. Điều này làm phần trăm bất thụ đực trên 95%, người ta lợi dụng kết quả ấy để sử dụng mẫu giống cà chua này làm vật liệu sản xuất hạt cà chua hybrid. Để nghiên cứu cơ chế bất dục đực nhờ exserted stigma, người ta phải xem xét hình thái học vối những thay đổi ra làm sao, những thay đổi về giải phẩu học, những thay đổi hormone nội sinh có tính chất so sánh (IAA, ABA, GA₃, ZT, SA) khi cà chua trổ bông đặc biệt là mẫu giống DL5 và T431. Vị trí của gen đích và chức năng gen đích  điều khiển tính bất dục đực do  exserted stigma được phân tích theo kỹ thuật SLAF-BSA-seq, parental resequencing, hệ gen học so sánh, cho biểu hiện mạnh mẽ  gen SlLst. Kết quả cho thấy: số tế bào gia tăng chủ yếu bởi tính chất stigma exsertion. Kích thích tố  IAA có vai trò chính, trong khi ABA đóng vai trò đối trọng ngược lại về stigma exertion. Thêm vào đó, người ta thấy có 26 gen ứng cử viên liên quan đến exserted stigma, định vị trên nhiễm sắc thể 12.  Gen Solyc12g027610.1 (SlLst) được người ta phân lập là gen ứng cử viên chủ chốt theo kỹ thuật phân tích chức năng gen. Xét nghiệm vị trí gen bổ sung cho thấy SlLst nằm trong nhân và màng tế bào. Phân tích kiểu hình  cà chua có mức độ biểu hiện cao gen SlLst cho thấy SlLst đóng vai trò chủ chốt trong điều khiển tính trạng stigma exsertion.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03710-0

qSCN18, QTL mới điều khiển tính kháng tuyến trùng gây sưng rễ đậu nành

Mariola Usovsky, Heng Ye, Tri D. Vuong, Gunvant B. Patil, Jinrong Wan, Lijuan Zhou & Henry T. Nguyen. 2021.  Fine-mapping and characterization of qSCN18, a novel QTL controlling soybean cyst nematode resistance in PI 567516C. Theoretical and Applied Genetics February 2021; vol. 134: 621–631.

qSCN18 QTL của giống đậu nành PI 56756C đã được phân lập và được thực hiện fine-mapped để cải tiến giống đậu nành cao sản kháng tuyên trùng SCN, quần thể HG Type 2.5.7 thông qua khảo sát quần thể NILs (near-isogenic lines). QTL này điều khiển tính kháng tuyến trùng được fine-mapped tại vùng có độ lớn phân tử 166-Kbp trên nhiễm sắc thể 18, gen ứng cử viên được sàng lọc trên cơ sở phân tích toàn hệ gen. Tuyến trùng gây sưng rễ đậu nành có tên tiếng Anh là Soybean cyst nematode, viết tắt SCN, tên khoa học: Heterodera glycines, Ichinohe. Đây là đối tượng gây hại nặng nề nhất trong canh tác đậu nành ở Hoa Kỳ. Hiểu biết cơ sở di truyền tính kháng tuyến trùng SCN rất cần thiết cho nhà chọn giống để quản lý dịch hại này trên đồng ruộng. Hai loci chủ lực, rhg1 và Rhg4, đã được định tính trước đậy như một nguồn vật liệu đáng giá nhằm cải tiến tính kháng tuyến trùng SCN. Tuy nhiên, sử dụng liên tục hai gen này gây sẽ gây ra tình trạng dịch chuyển trong độc tố  của quần thể tuyến trùng SCN, chúng có thể khắc phục được tính kháng bởi chỉ có hai loci ấy. Hiệu quả suy giảm trở nên một vấn đề trong công nghiệp sản xuất đậu nành do người ta liên tục sử dụng gen rhg1 qua nhiều thập kỷ. Do đó, cần phải xác định nguồn gen kháng mới tuyến trùng SCN  để quản lý dịch hại này bền vững hơn. Một QTL mới có tên qSCN18 được phân lập từ giống đậu nành PI567516C. Để thực hiện fine-map qSCN18 và phânlập gen kháng đích, người ta hình thành quần thể con lai hồi giao lớn. Mười chín dòng NILs (near-isogenic lines) mang kiểu gen tái tổ hợp trong vùng chứa QTL đích do lai tạo đã được xác định. Pha một của fine-mapping đã thu hẹp vùng có QTL giả định xuống còn 549-Kbp. Pha hai thu hẹp thêm còn 166-Kbp bao gồm 23 gen. Hai markers kế cận QTL đích là MK-1 và MK-6, được phát triển và được minh chứng để phát hiện sự hiện diện của alen qSCN18. Kết quả phân tích haplotype xếp nhóm  fine-mapped qSCN18 từ giống PI 567516C với locus cqSCN-007 được lập bản đồ trên mẫu giống đậu nành hoang dại PI 468916. Các dòng đậu nành NILs được phát triển để phân tích gen đích mang trong vùng QTL này. Kết quả xác định qSCN18 đã được công bố trước đây. Kết quả sẽ làm thuận lợi cho tiến hành quy trình MAS (marker-assisted selection) mang locus qSCN18 từ giống PI 567516C vào giống đậu nành cao sản có tính kháng bền vững với tuyến trùng SCN.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03718-6