Đột biến mop1 của hệ gen cây bắp

Nguồn: Meixia Zhao,  Jia-Chi Ku,  Beibei Liu, Diya Yang,  Liangwei Yin,  Tyshawn J. Ferrell,  Claire E. Stoll,  Wei Guo, Xinyan Zhang,  Dafang Wang,  Chung-Ju Rachel Wang, and Damon Lisch. 2021. The mop1 mutation affects the recombination landscape in maize. PNAS February 16, 2021 118 (7) e2009475118

Tái tổ hợp giai đoạn gían phân giảm nhiễm được điều tiết bởi cả hai yếu tố di truyền chính thống và di truyền biểu sinh ví dụ như hiện tượng methyl hóa phân tử  DNA. Trong cây bắp, người ta tìm thấy thể đột biến mop1 chuyển dịch methyl hóa CHH (khi đó H = A, T, hoặc C) mà sự kiện ấy lập tức gắn với các vị trí của tái tổ hợp thường gặp trên vai nhiễm sắc thể và vùng tâm động. Người ta  còn tìm thấy đột biến mop1 làm gia tăng tần suất gián phân giảm nhiễm ở trên vai nhiễm nhưng làm giảm sự giảm phân trong vùng tâm động. Cơ sở dữ liệu nghiên cứu này chứng minh rằng cho dù methyl hóa CHH hiện hữu ở mức độ thấp hơn methyl hóa CG và CHG, nhưng nó có một ảnh hưởng ngay sau đó đối với tần suất tái tổ hợp, cho thấy vai trò quan trọng của methyl hóa DNA ảnh hưởng trực tiếp đến RNA trong tái tổ hợp giảm phân của cây bắp. Sự tái tổ hợp giảm phân (meiotic recombination) là một tiến trình căn bản tạo ra kết quả đa dạng di truyền và đảm bảo sự kiện phân ly chính xác của nhiễm sắc thể tương đồng. Trong khi người ta biết rằng các yếu tố di truyền điều tiết tái tổ hợp như vậy, tương đối còn mù mờ đối với yếu tố di truyền biểu sinh (epigenetic factors), ví dụ như sự methyl hóa DNA. Trong cây bắp, người ta xem xét  ảnh hưởng của tái tổ hợp giảm phân một đột biến gen trong một hợp phần của chu trình methyl hóa DNA ảnh hưởng trực tiếp RNA (RNA-directed DNA methylation), gen Mop1 (Mediator of paramutation1), cũng như đột biến kiểu can thiệp nhỏ thuộc loại hình trans-acting thuộc chu trình sinh tổng hợp phân tử RNA, Lbl1 (Leafbladeless1). MOP1 là đặc biệt nhất khi đề cập tái tổ hợp bởi vì nó chuyên biệt cho phản ứng methyl hóa của những nguyên tố chuyển vị (transposable elements) mà chúng gắn ngay sau đó với gen hoạt động có tính chất phiên mã. Trong đột biến lặn mop1, người ta tìm thấy tái tổ hợp giảm phân bị giảm đi rất đồng đều trong vùng tâm động, nhưng tăng trong vai nhiễm rất giàu gen đích. Quan sát này được xác định bởi phân tích di truyền tế bào. Kết quả là   cho dù số lần quấn chéo không đổi, nhưng chúng xảy ra thông thường hơn trên vai nhiễm của đột biến gen mop1. Áp dụng kỹ thuật whole genome bisulfite sequencing, số liệu cho thấy có sự phân bố lại cách quấn chéo bởi sự mất đi methyl hóa CHH (H = A, T, hoặc C) trong những vùng rất gần với gen đích. Tráì lại, người ta quan sát đột biến mop1 không thay đổi đáng kể  tần suất tái tổ hợp giảm phân trong đột biến lbl1. Số liệu thí nghiệm chứng minh rằng sự methyl hóa CHH  có tác động đáng kể đến tất cả tái tổ hợp tổng thể trong hệ gen cây bắp cho dù tần suất thấy liên quan đến methyl hóa CG và CHG.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/7/e2009475118

Di truyền tính kháng bệnh đốm lá Cercospora trên cây đậu xanh

Nguồn: Chutintorn Yundaeng, Prakit Somta, Jingbin Chen, Xingxing Yuan, Sompong Chankaew & Xin Chen. 2021. Fine mapping of QTL conferring Cercospora leaf spot disease resistance in mungbean revealed TAF5 as candidate gene for the resistance. Theoretical and Applied Genetics February 2021; vol. 134: 701–714.

Người ta thực hiện kỹ thuật fine mapping gen qCLS điều khiển tính kháng bệnh Cercospora leaf spot (bệnh đốm lá) cây đậu xanh. Người ta xác định gen LOC106765332 mã hóa protein TATA-binding-protein-associated factor 5 (TAF5) là gen ứng cử viên điều khiển tính kháng bệnh CLS (Cercospora leaf spot). Bệnh này do nấm Cercospora canescens tấn công cây đậu xanh. Thực hiện phương pháp QTL mapping, người ta phân tích trên quần thể con lai F₂ và BC₁F₁ dẫn xuất từ “V4718” (kháng) và “Kamphaeng Saen 1” (KPS1; nhiễm). người ta phân lập một QTL chủ lực điều khiển tính kháng CLS (qCLS). Tiếp tục thực hiện fine-mapped vùng chứa qCLS, người ta xác định được những gen ứng cử viên tại locus này. Quần thể con lai BC₈F₂ [KPS1 × (KPS1 × V4718)] được phát triển để phục vụ nghiên cứu; quần thể F₂ (KPS1 × V4718) được dùng trong thí nghiệm trước đó. Tất cả đều được đánh giá kiểu gen với 16chỉ thị SSR mới. Kết quả phân tích QTL của quần thể BC₈F₂ and F₂ cho thấy rằng qCLS định vị trên bản đồ di truyền có kích thước phân tử 13 Kb trên nhiễm sắc thể 6, hàm chứa một gen có giải trình (annotated gene), LOC106765332 (ký hiệu là “VrTAF5”), mã hóa protein có tên là TATA-binding-protein-associated factor 5 (TAF5), một subunit của yếu tố phiên mã  IID và Spt-Ada-Gcn5 acetyltransferase complexes. So sánh chuỗi trình tự của gen VrTAF5 giữa giống đậu xanh KPS1 và V4718 cho thấy có nhiều SNPs và chỉ thị phân tử inserts/deletions (InDels), trong đó, tám chỉ thị SNPs đặc trừng cho 8 exons khác nhau, một chỉ thị SNP (G4,932C) định vị exon số 8 làm cho thay đổi amino acid (S250T) trong giống đậu xanh V4718. Một chỉ thị InDel giúp phát hiện đa hình có độ lớn phân tử 24-bp InDel trong gen VrTAF5 giữa hai giống đậu xanh KPS1 và V4718. Kết quả phân tích RT-qPCR cho thấy rằng các mức độ thể hiện gen VrTAF5 trong giống KPS1 và V4718 không khác biệt có ý nghĩa về thống kê. Kết quả khẳng định đột biến gen VrTAF5 gây ra một thay đổi amino acid của protein VrTAF5 tương ứng với tính kháng bệnh CLS của giống đậu xanh V4718.

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03724-8

Di truyền quang chu kỳ của đậu nành

Nguồn: Tiantian Bu,  Sijia Lu, Kai Wang,  Lidong Dong,  Shilin Li,  Qiguang Xie,  Xiaodong Xu,  Qun Cheng, Liyu Chen, Chao Fang, Haiyang Li,  Baohui Liu,  James L. Weller, and Fanjiang Kong. 2021. A critical role of the soybean evening complex in the control of photoperiod sensitivity and adaptation. PNAS February 23, 2021 118 (8) e2010241118.

Trong nhiều loài thực vật, thời điểm trổ bông rất nhạy cảm với độ dài ngày. Nhiều loài cây trồng, biến dị di truyền tính cảm quang này là rất cần thiết đổ cây thích nghi với sinh thái canh tác và quản lý kỹ thuật trồng trọt. Kết quả nghiên cứu xác định một thành phần của chu trình di truyền  điều khiển thời điểm trổ bông của cây đậu nành. Đáng chú ý là, cây thiếu hệ gen ấy sẽ trổ bông rất muộn. Tính cảm quang của cây đậu nành lần đầu tiên được mô tả một cách hệ thống hơn 100 năm trước, kết quả trong bài này xây dựng cách nhìn nhận mới trên cô sở sinh học phân tử. Điểm cực trọng của bước đi ấy có thể được điều chỉnh nhờ di truyền cải tiến được năng suất  đậu nành với phổ canh tác rộng và điều kiện nông nghiệp khác nhau.  Cảm quang là yếu tố căn bản về sự thích ứng của cây và sản lượng cây trồng. Đậu nành là cây ngày ngắn, thích nghi trồng ở vĩ tuyến thấp có đột biến locus J, mà locus này liên quan đến pha trổ bông linh hoạt, nhờ vật cải tiến năng suất đậu nành. xác định locus J và gen đồng dạng từ cây Arabidopsis ELF3, một thành phần hết sức phức tạp trong đồng hồ sinh học EC (circadian evening complex), khẳng định rằng: những gen đồng dạng (orthologs) của những thành phần EC khác có thể có vai trò giống nhau. Kết quả nghiên cứu này cho thấy hai gen đồng dạng của đậu nành thuộc tương tác có tên là LUX ARRYTHMO interact với J để hình thành nên  một soybean EC. Định tính những đột biến ấy cho thấy các gen như vậy có rất nhiều chức năng, rất cần thiết cho sự trổ bông trong điều kiện ngày ngắn, trong khi, gen lux1 lux2 là đột kiếp kép trổ bông cực kỳ muộn và kéo dài pha trổ bông xét theo tổng thể. Kiểu hình ấy  có trong giống đậu nành đột biến ghi nhận được ngày trổ, bắt chước rất giống với gen của thuốc lá “Maryland Mammoth” đột biến, mà đặc điểm ấy được mô tả  trong nghiên cứu năm 1920 bởi Garner và Allard [W. W. Garner, H. A. Allard, J. Agric. Res. 18, 553–606 (1920)]. Kết quả chứng minh rằng: J–LUX complex ức chế phiên mã của gen E1  - một repressor chủ chốt cho trổ bông và hai gen đồng dạng của nó thông qua LUX binding sites ở promoters. Kết quả còn cho thấy: tương tác EC–E1 có vai trò trung tâm trong tính cảm quang cây đậu nành, một hiện tượng được mô tả lần đầu tiên bởi Garner và Allard. Họ gen EC và E1 có thể được xem là gen đích để nhà chọn giống đậu nành sử dụng sao cho giống đậu nành thích ứng với điều kiện ngoại cảnh,  hoặc tạo ra những đột biến mới bằng kỹ thuật chỉnh sửa hệ gen.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/8/e2010241118

Cải biên gen mã hóa amino acid cần thiết cho cây bắp

Nguồn: Md. Mahmudul Hasan & Rima Rima. 2021. Genetic engineering to improve essential and conditionally essential amino acids in maize: transporter engineering as a reference. Transgenic Research (13 February 2021)

Con người và động vật nhai lại không thể tự tổng hợp được amino acids cần thiết (EAAs), cũng như CEAAs (conditionally essential amino acids: cần thiết có điều kiện) trong điều kiện bình thường. Do đó, sinh vật ấy cần từ nguồn thực vật. Cây bắp, một hoa màu quan trọng, có vai trò trung tâm trong chiến lược an ninh lương thực toàn cầu. Tuy nhiên, bắp thiếu rất nhiều EAAs và CEAAs. Công nghệ di truyền là giải pháp rất thành công được áp dụng để  làm giàu hàm lượng EAA trong cây bắp, bao gồm hàm lượng Lys, Trp, và Met. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên EAAs khác vẫn còn đang rất thiếu. Công nghệ di truyền cung cấp nhiều phương pháp tiếp cận sinh học  để gia tăng hàm lượng EAA trong cây bắp, bao gồm kỹ thuật chuyển nạp gen đơn, chuyển nạp nhiều gen trong một thể cassette nhất định, cho thế hiện mạnh mẽ gen đích mã hóa những transporters giá định của amino acid, thao tác di truyền chu trình sinh tổng hợp amino acid bao gồm làm câm lặng những enzymes ức chế có tính chất phản hồi, làm biểu hiện mạnh mẽ  những enzymes chủ chốt trong chu trình ấy. Thách thức yếu cầu chúng ta một hiểu biết có chiều sâu các chu trình sinh tổng hợp và chu trình biến dưỡng từng amino acids, và tương tác của chúng  với các chu trình biến dưỡng.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-021-00235-0