Cà chua có phổ kháng bệnh rộng nhờ đột biến gen DMR6

Nguồn: Daniela Paula de Toledo Thomazella, Kyungyong Seong, Rebecca Mackelprang, Douglas Dahlbeck, Yu Geng, Upinder S. Gill, Tiancong Qi, Julie Pham, Priscila Giuseppe, Clara Youngna Lee, Arturo Ortega, Myeong-Je Cho, Samuel F. Hutton, Brian Staskawicz. 2021. Loss of function of a DMR6 ortholog in tomato confers broad-spectrum disease resistance. PNAS July 6, 2021 118 (27) e2026152118

Các gen nhiễm (S) tạo điều kiện thuận lợi cho pathogen xâm nhiễm. Làm bất hoạt gen được xem như là một chiến lược triển vọng giúp cây có phổ kháng rộng và bền vững trong giống cây trồng. Người ta định tính hai gen đồng dạng (orthologs) trong cây Arabidopsis, chuyển từ gen nhiễm DMR6 của cà chua tomato: SlDMR6-1 và SlDMR6-2. Người ta chứng minh rằng chính SlDMR6-1, chứ không phải SlDMR6-2, liên quan đến tính miễn nhiễm của cây. Đáng chú ý là, gen đột biến Sldmr6-1 có vai trò điều khiển tính kháng với pathogen là vi khuẩn, oomycete, và khuẩn. Kiểu hình này tương quan với mức độ tăng của khích thích tố salicylic acid (SA) và làm tăng cường hoạt động phiên mã của phản ứng miễn nhiễm thực vật. Người ta chứng minh rằng SlDMR6-1 và SlDMR6-2 chuyển đổi SA thành trạng thái bất hoạt, 2,5-DHBA, cho thấy chúng có vai trò chức năng sinh lý homeostasis (điều tiết bảo hòa) đối với SA.

Đề cập đến tính kháng bệnh của cây trồng, chọn tạo giống kinh điển đề cập đến gen kháng R. Tuy nhiên, chiến lược này rất dễ bị pathogen khắc phục thông qua  con đường tiến hóa. Gen nhiễm bệnh S bị khuyết là một alternative đầy triển vọng đối với gen kháng R trong chương trình chọn giống hiện nay, vì nó dẫn đến kết quả kháng bền vững, phổ kháng rộng. Trong cây Arabidopsis, gen S mang têb DMR6 (AtDMR6) mã hóa một enzyme được định tính là yếu tố nhiễm bệnh đối với pathogen là vi khuẩn và oomycete. Ở đây, người ta giới thiệu mô phỏng có thuật ngữ khoa học là  “model-to-crop translational work” mà trong ấy, người ta định tính hai gen đồng dạng AtDMR6 có từ cây cà chua, SlDMR6-1 và SlDMR6-2. Chính gen SlDMR6-1, không phải gen SlDMR6-2, được điều tiết theo kiểu up khi có sự xâm nhiễm của pathogen. Trong kết quả này, gen đột biến Sldmr6-1 có chức năng tăng cường tính kháng với nhiều lớp của pathogens, ví dụ vi khuẩn, oomycete, và nấm fungi. Đáng chú ý là, tính kháng bệnh tương quan với hàm lượng salicylic acid (SA) tăng lên, và hoạt động phiên mã tăng khi cây có phản ứng miễn dịch. Hơn nữa, người ta chứng minh rằng SlDMR6-1 và SlDMR6-2 có chức năng thúc đầy hoạt động của SA-5 hydroxylase, do đó đóng góp vào sự kiện hoạt tính của chức năng enzyme DMR6. Người ta đề nghị rằng sự lặp đoạn của SlDMR6 trong cà chuadẫn đến kết quả bổ sung thêm chức năng, mà trong đó, SlDMR6-2 chuyên tính trong việc làm cân bằng hàm lượng SA ở hoa/quả, bên cạnh, SlDMR6-1 chuyển đổi khả năng bật tắt hàm lượng SA (fine-tune SA levels) khi pathogen xâm nhiễm vào cây trồng ở những mô tăng trưởng. Nhìn chung, công trình khoa học này không chỉ kết hợp cơ chế sinh lý “SA homeostasis” thực vật, mà còn giới  thiệu một chiến lược triển vọng để thao tác kỹ thuật di truyền giúp cây kháng bệnh phổ rộng và bền vững.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/27/e2026152118

Phân tích QTL tính kháng bệnh Phythopthora sansomeana đậu nành

Nguồn: Feng Lin, Wenlong Li, Austin G. McCoy, Xuan Gao, Paul J. Collins, Na Zhang, Zixiang Wen, Sizhe Cao, Shabir H. Wani, Cuihua Gu, Martin I. Chilvers & Dechun Wang. 2021.  Molecular mapping of quantitative disease resistance loci for soybean partial resistance to Phytophthora sansomeana. Theoretical and Applied Genetics July 2021; vol. 134:1977–1987

Hình: Triệu chứng của soybean Phytophthora disease.

Hai QDRL đậu nành được xác định có tương tác tính cộng (additive interaction) đối với vi nấm P. sansomeana mẫu phân lập số MPS17-22. Phân tích sâu cho kết quả có bốn tương tác từng phần xảy ra giữa hai QDRL và bảy mẫu phân lập (isolate) của vi nấm P. sansomeana .

Vi nấm Phytophthora sansomeana là loài được ghi nhận xâm nhiễm rễ cây đậu nành. Kết quả nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng P. sansomeana phân bố rộng khắp trên các vùng canh tác đậu nành và có nhiều ký chủ hơn nấm P. sojae, một pathogen nổi tiếng của đậu nành. Không giống vi nấm P. sojae, không có gen kháng được tư liệu hóa có thể kiểm soát P. sansomeana. Do đó, điều quan trọng là phải xác định tính kháng bệnh để có thể tích hợp vào giống đậu nành tương lai. Vật liệu giống E13901 là dòng đậu nành cải tiến có tính kháng từng phần với P. sansomeana. Quần thể con lai làm bản đồ bao gồm 228 dòng F4:5 được phát triển từ tổ hợp lai E13901 và giống nhiễm E13390. Sử dụng phương pháp CIM (composite interval mapping), có hai loci điều khiển tính kháng số lượng (QDRL) được phân lập trên nhiễm sắc thể 5 (ký hiệu qPsan5.1) và nhiễm sắc thể 16 (ký hiệu qPsan16.1). Gen qPsan5.1 được định vị trên bản đồ ở vị trí 54.71 cM giữa chỉ thị Gm05_32565157_T_C và Gm05_32327497_T_C. Gen qPsan5.1 có đóng góp di truyền của E13390, giải thích được 6% biến thiên kiểu hình kháng bệnh. Gen qPsan16.1 định vị trên bản đồ ở vị trí 9.01 cM giữa chỉ thị Gm16_35700223_G_T và Gm16_35933600/ Gm16_35816475. Gen qPsan16.1 có đóng góp di truyền của  E13901, giải thích được 5.5% biến thiến kiểu kình kháng từng phần (partial resistance). Kết quả phân tích sâu cho thấy một tương tác cộng (additive) của qPsan5.1 và qPsan16.1 điều khiển tính kháng P. sansomeana mẫu phân lập MPS17-22. Phân tích chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và trắc nghiệm con lai minh chứng rõ hơn hai QDRL này và thành phần tương tác của chúng với các mẫu phân lập khác của P. sansomeana. Cà hai QDRL có thể nhanh chóng du nhập vào giống đậu nành thông qua MAS (chọn giống nhờ chỉ thị phân tử).

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03799-x

Khai thác tương tác “non-additive” trong cải tiến giống mía

Nguồn: Seema Yadav, Xianming Wei, Priya Joyce, Felicity Atkin, Emily Deomano, Yue Sun, Loan T. Nguyen, Elizabeth M. Ross, Tony Cavallaro, Karen S. Aitken, Ben J. Hayes & Kai P. Voss-Fels. 2021. Improved genomic prediction of clonal performance in sugarcane by exploiting non-additive genetic effects. Theoretical and Applied Genetics July 2021; vol. 134: 2235–2252

Ảnh hưởng di truyền tương tác “không cộng tính” (non-additive genetic effects) có vai trò quan trọng trong thể hiện các tính trạng số lượng phức tạp của cây mía đường. Bao gồm trong non-additive effects còn có sàng lọc di truyền dự báo (genomic prediction models) cải tiến có ý nghĩa đáng kể về mức độ chính xác dự đoán dòng mía vô tính.

Trong thập niên gần đây, tiến bô di truyền học của cây mía đường diễn ra khá chậm chạp. Lý do có thể là  ảnh hưởng tương tác di truyền các alen không cộng tính đóng góp quá lớn vào tính trạng số lượng phức tạp (complex traits). Thông tin về chỉ thị phân tử dầy đặc đã cung cấp cho chúng ta cơ hội tốt nhằm khai thác hiệu quả bản chất non-additive effects trong mô phỏng toám genomic prediction. Theo kết quả nghiên cứu này, một series có tên GBLUP (viết tắt từ genomic best linear unbiased prediction) là những mô phỏng toán di truyền. Đánh giá bao gồm cả tương tác additive và tương tác non-additive để cải tiến những tính trạng số lượng có độ chính xác trong dự đón chọn dòng vô tính (accuracy of clonal prediction). Mô phỏng có tên là “reproducible kernel Hilbert space model”, có chức năng giải thích được ảnh hưởng của tương tác không cộng tính. Mô phỏng tón này được so sánh trong quần thể có 3.006 dòng mía ưu việt tính theo tấn mía cây trên một Ha (TCH), chữ đường (commercial cane sugar: CCS), và năng suất xơ bả mía. Ba kích bản dự đoán được thiết lập để nghiên cứu số liệu khổng lồ của genomic prediction. Người ta sử dụng thông số pseudo-diploid parameterization, thấy rằng tương tác không cộng tính có ý nghĩa chiếm 2/3 tổng phương sai di truyền đối với năng suất TCH. Giá trị trung bình dị hợp tử có tác động chính đối với TCH, chỉ ra rằng giá trị dominance định hướng là một nguồn tư liệu quan trọng của biến thiên kiểu hình năng suất mía cây. Mô phỏng GBLUP phát triển đã cải tiến mức độ chính xác dự đoán ít nhất 17% đối với TCH, nhưng không có một cải tiến nào được quan sát đối vối tính trạng CCS và năng suất xơ bả mía.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03822-1

Cải tiến giống cao lương trong kỷ nguyên genomics

Nguồn: Huaiqing Hao, Zhigang Li, Chuanyuan Leng, Cheng Lu, Hong Luo, Yuanming Liu, Xiaoyuan Wu, Zhiquan Liu, Li Shang & Hai-Chun Jing. 2021. Sorghum breeding in the genomic era: opportunities and challenges. Theoretical and Applied Genetics July 2021; vol. 134:1899–1924

Cao lương là loài cây lương thực có tiềm năng và khá quan trọng cho nhân loại, nhưng chưa được khai thác trong chiến lược an ninh lương thực toàn cầu. Tích hợp giữa nghệ thuật chọn giống và kiến thức genomics đã đến lúa trở nên cần thiết, với công nghệ high-throughput.

Cao lương là loài cây lương thực quan trọng xếp hạng thứ năm trong mễ cốc, có kết quả đa dạng trong sử dụng nông sản làm lương thực, thực phẩm, nhiên liệu sinh học, thức ăn gia súc, đồng cỏ và là cây mô hình về di truyền chức năng và genomics chức năng của loài thân thảo nhiệt đới. Sự  phát triển nhanh các công nghệ high-throughput và cơ sở dữ liệu genomics làm thúc đẩy đáng kể trong nghiên cứu cải tiến giống cao lương trong những năm gần đây. Các hệ gen của 3 loài cao lương đã được chạy trình tụ sẵn sàng phục vụ cho nghiên cứu sâu, hàng nghìn genetic stocks trong ngân hàng gen và rất nhiều quần thể con lai làm bản đồ di truyền như NAM, MAGIC, và quần thể con lai đột biến được xây dựng. Genome học chức năng và so sánh đã và đang làm rõ hơn nhưng loci di truyền then chốt, các gen điều khiển tính trạng nông học cần thiết và thích ứng với stress. Tuy nhiên, kiến thức này còn khoảng cách khá xa với loài mễ cốc chủ chốt trong chọn tạo giống mới. Người ta tranh luận về cách thức sắp tới, làm thế nào tiếp cận với genome-based approach để có những giống cao lương tốt cho người tiêu dùng với tính chất đa công dụng của nó. Trong bài tổng quan này, tác giả đã cập nhật hóa những khái niệm mới và các hệ thống cách tân trong chọn tạo giống cây trồng và tóm tắt những ưu điểm của nghiên cứu genomics cây cao lương, đặc biệt là genome-wide dissection các biến thiên của gen, alen điều khiển những tính trạng nông học cần thiết. Định hướng tới và cơ hội mới cho chọn tạo giống cao lương được tóm tắt để gợi ý người đọc thảo luận.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03789-z

GWAS xác định gen kháng đạo ôn trong điều kiện bón phân N cao

Nguồn: Mathias Frontini, Arnaud Boisnard, Julien Frouin, Malika Ouikene, Jean Benoit Morel, Elsa Ballini. 2021. Genome-wide association of rice response to blast fungus identifies loci for robust resistance under high nitrogen.  BMC Plant Biol. 2021 Feb 18;21(1): 99.  doi: 10.1186/s12870-021-02864-3.

Phân nitrogen là điều kiện để bệnh đạo ôn gia tăng, hiện tượng này được thể hiện bằng thuật ngữ NIS (Nitrogen-Induced Susceptibility). Trong cây lúa, hiện tượng này được quan sát trong tiến trình xâm nhiễm của nấm Magnaporthe oryzae. Kết quả trước đây, người ta ghi nhận locus có tên là NIS1 làm tăng cường tính nhiễm bệnh đạo ôn lúa khi bón phân N cao. Về di truyền học, sự linh hoạt của kết quả nhiễm bệnh với sự bón phân được minh chứng bằng cách phân tích gen NIS trong điều kiện nhà kính, quần thể vật liệu bao gồm 139 giống lúa japonica ôn đới. GWAS (genome-wide association analysis) được tiến hành để xác định các loci có tiềm năng mang gen NIS thông qua so sánh loci nhiễm trong điều kiện bón N cao và bón N thấp, một phương pháp cho phép xác định loci thông qua nhiều nghiệm thức bón N khác nhau. Người ta sử dụng chỉ số NIS Index để xác định loci góp phần vào kết quả linh hoạt (co dãn: plasticity) về mức độ nhiễm bệnh trong những nghiệm thức bón N khác nhau.

Ảnh hưởng NIS toàn cầu được quan sát trên quần thể nói trên, với mật số vế bệnh tăng trung bình 8%, trong điều kiện phân N cao. Ba QTL mới, khác hơn NIS1, đã được phân lập. Một alen hiếm tại locus RRobN1 trên nhiễm sắc thể 6 có tính kháng mạnh mẽ trong cả hai nghiệm thức bón N cao và thấp. Một alen thường xuyên xuất hiện của locus NIS2 định vị trên nhiễm sắc thể 5, điều khiển sự nhiễm bệnh đạo ôn trong điều kiện bón N cao. Cuối cùng, một aln của NIS3, trên nhiễm sắc thể 10, có ảnh hưởng đệm trong gia tăng mức độ nhiễm bệnh theo liều lượng bón N nhưng tăng mức độ nhiễm. Alen này hầu như được cố định trong giống lúa japonica ôn đới, là kết quả của sự kiện genetic hitchhiking với một locus điều khiển tính trạng thích ứng với stress lạnh.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33602120/

Hình: Giản đồ Manhattan về NIS Index.

GWAS kết quả số vế bệnh tính theo diện tích lá lúa ở nghiệm thức N0 (a), nghiệm thức N1 (b) và Nitrogen Induced Sensitivity Index (c).

Trục Y biểu trưng cho -log10(p value)

Trục X-axis biểu trưng cho vị trí SNP trên nhiễm sắc thể, tham chiếu hệ gen Nipponbare. Mẫu phân lập nấm đạo ôn CD203 được chủng. Màu xanh green là SNPs có ý nghĩa ở -log10(P) ≥ 5.