Bệnh sọc lá bắp do virus ở châu Phi, tổng quan di truyền tính kháng

Nguồn: Mary Emeraghi, Enoch G. Achigan-Dako, Chibuzo N. C. Nwaoguala & Happiness Oselebe. 2021. Maize streak virus research in Africa: an end or a crossroad. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134: 3785–3803

Thiệt hại về kinh tế của bệnh siêu vi gây sọc lá bắp trong sản xuất bắp của châu Phi chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Sự lệ thuộc có tính chất liên tục của gen đơn có ảnh hưởng số lượng “quantitative trait locus” (QTL) có tên là gen Msv1 trên nhiễm sắc thể 1 của hệ gen cây bắp (Zea mays L.) không hề đảm bảo về tính kháng bệnh bền vững đối với pathogen này. Hơn 10 thập niên nghiên cứu về bệnh sọc lá siêu vi trên bắp, người ta ghi nhận cơ chế tính kháng của cây chủ, nó rất đúng trong tiếp cận với những phương pháp của tương lai để thu nhận kết quả chắc chắn thông qua xem xét vai trò tương trợ lẫn nhau (synergistic roles) của những QTL thứ yếu và QTL kháng trung bình, định vị trên nhiều nhiễm sắc thể khác nhau sao cho quản lý bệnh hại trở nên dễ dàng hơn trong hệ thống canh tác ở vùng cận Sahara (sub-Saharan Africa). Bài tổng quan này, người ta tập họp hơn 40 bài viết đã công bố, có liên quan đến bệnh sọc lá bắp (maize streak disease) được phân tích có hệ thống với khoảng 30% tham khảo chuyên đề có tính truyền thống, nội hàm phân tử và phương pháp chuyển nạp gen đích du nhập vào giống bắp trồng trọt, duy trì và cải tiến tính kháng bệnh sọc lá trên cây bắp. Kỹ thuật meta-analysis của phương pháp lập bản đồ QTLs liên quan đến tính trạng kháng bệnh sọc lá, được tiến hành qua một số dẫn chứng đối với tính chất phụ thuộc lẫn nhau hoặc tính chất đồng vị trí (co-localization) của những loci kháng bệnh. Kết quả này sẽ giúp cho việc quyết định đúng đắn trong chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử. Với điều kiện biến đổi khí hậu toèn cầu, sự chuẩn bị của loài người trước sự kiện dịch tể học theo sau nó là quá trình tiến hóa nào đó đối với hệ gen của siêu vi gây sọc lá bắp được người ta xác định là không đầy đủ. Phương pháp chọn giống mới bao gồm tích tụ gen (chồng gen kháng) có thể được xem xét trong chương trình cải tiến giống bắp, đảm bảo tính kháng bền vững bên cạnh mục tiêu chọn tạo giống bắp chống chịu những stress phi sinh học, đặc biệt là khô hạn.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03914-y

GWAS phân tích cytochrome b5 khi hạt lúa nẩy mầm

Nguồn: Zhibo Huang, Jifeng Ying, Liling Peng, Shan Sun, Chengwei Huang, Can Li, Zhoufei Wang & Yongqi He. 2021. A genome-wide association study reveals that the cytochrome b5 involved in seed reserve mobilization during seed germination in rice. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134: 4067–4076  

Gen ứng cử viên cytochrome b5 được phân lập trong QTL có tên qSRMP9 liên quan đến tính trạng hoạt động bảo tồn của hạt thóc được người ta minh chứng rõ ràng trong giai đoạn hạt lúa nẩy mầm thông qua phương pháp GWAS (genome-wide association study).

Hoạt động bảo tồn của hạt lúa (seed reserve mobilization) có vai trò quan trọng trong giai đoạn đầu của cây mạ tăng trưởng. Tuy nhiên, cơ sở di truyền của tính trạng này còn được biết rất ít. Theo kết quả nghiên cứu này, kiến trúc di truyền của biến thiên tính trạng SRM (seed reserve mobilization) khi hạt nẩy mầm được người ta nghiên cứu thông quan phương pháp GWAS. Ba QTL bao gồm qSRMP6, qSRMP9, và qSRMP12 đối với phần trăm SRM đã được xác định. Trong đó, gen ứng cử viên cytochrome b5 (OsCyb5) đối với QTL chủ lực qSRMP9 được người ta minh chứng rõ ràng. Tính đột phá của gen này trong cac đột biến Oscyb5 làm giảm tỷ lệ RSM và giảm sự tăng trưởng của cây mạ so với cây nguyên thủy (WT). Không khác biệt có ý nghĩa thống kê về tính trạng kích thước hạt, hàm lượng tinh bột, hàm lượng protein và hàm lượng đường hòa tan tổng số trong hạt chín, giữa đột biến Oscyb5 và cây lúa WT. Tuy nhiên, hoạt tính của men α-amylase khi hạt nẩy mầm của cây lúa đột biến Oscyb5 giảm đáng kể so với cây lúa WT, và sự huy động tinh bột, đường và tích tụ glucose khi hạt nẩy mầm cũng giảm đáng kể trong cây lúa đột biến Oscyb5. Hai haplotypes ưu việt của OsCyb5 kết hợp với % SRM cao hơn và biến thiên chỉ thị SNP ưu việt của nó được duy trì trong mẫu giống thuộc loại hình lúa indica và loại hình aus. Biến thiên tự nhiên của OsCyb5 góp phần vào % SRM có thể là kết quả hữu ích phục vụ chương trình cải tiến giống lúa trong tương lai.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03948-2

Tái lập chương trình truyền tín hiệu cytokinin bị khiếm khuyết trong cây Arabidopsis

 Nguồn: Mostafa Abdelrahman, Rie Nishiyama, Cuong Duy Tran, Miyako Kusano, Ryo Nakabayashi, Yozo Okazaki, Fumio Matsuda, Ricardo A. Chávez Montes, Mohammad Golam Mostofa, Weiqiang Li, Yasuko Watanabe, Atsushi Fukushima, Maho Tanaka, Motoaki Seki, Kazuki Saito, Luis Herrera-Estrella, and Lam-Son Phan Tran. 2021. Defective cytokinin signaling reprograms lipid and flavonoid gene-to-metabolite networks to mitigate high salinity in Arabidopsis. PNAS November 30, 2021 118 (48):  e2105021118

Ý nghĩa khoa học: Vai trò điều tiết của truyền tín hiệu cytokinin (CK) trong sự kiện tạo hình có trong biến dưỡng (metabolic plasticity) đối với phản ứng của cây khi bị xử lý stress mặn; vẫn còn là điều bí ẩn. Hệ thống metabolome được biết và kết quả phân tích hệ transcriptome của CK-signaling–defective Arabidopsis thaliana histidine-containing phosphotransfer protein ahp2,3,5 và đột biến thể triple của type-B Arabidopsis response regulator arr1,10,12 trong nghiệm thức không xử lý mặn và nghiệm thức xử lý mặn cho kết quả rằng: truyền tín hiệu CK kích hoạt một sự kiệm tái lập trình (reprogramming) của mạng lưới gene-to-metabolite có trong phản ứng của cây Arabidopsis khi bị phơi nhiễm trong stress mặn. Truyền tính hiệu CK hình thành nên những tích tụ có tính chất  prestress (trước stress) và poststress (sau stress) của đường, amino acids, và anthocyanins cũng như tái lập trình lipid màng giống như một cơ chế xuất hiện ngay sau khi cây thích ứng được với mặn của Arabidopsis. Kết quả cung cấp kiến thức về sự điều tiết tín hiệu CK của mạng lưới gene-to-metabolite khi cây phản ứng với stress mặn cho phép sự ứng dụng hiệu quả của sinh học CK trong chống chịu stress bởi công nghệ sinh học.

Cytokinin (CK) của thức vật điều tiết cả tiến trình phát triển và tiến trình thích nghi với stress bởi ngoại cảnh. Arabidopsis histidine phosphotransfer ahp2,3,5 và các dòng đột biến kiểu triple type-B Arabidopsis response regulator arr1,10,12 hầu hết đều khiếm khuyết tín hiệu CK. Đột biến ahp2,3,5 được ghi nhận là chống chịu mặn. Ở đây, các tác giả chứng minh rằng đột biến arr1,10,12 còn chống chịu mặn tốt hơn cây nguyên thủy (WT). Một cơ chất biến dưỡng được biết có phổ biểu hiện đi cùng với phân tích hệ transcriptome của đột biến ahp2,3,5 và đột biến arr1,10,12 tất cả được tiến hành phân tích để làm rõ cơ chế chống chịu mặn bởi tính hiệu CK. Nhiều cơ chất biến dưỡng sơ cấp (e.g., đường, amino acids, lipids) và thứ cấp (e.g., flavonoids và sterols) tích tụ trong những cây đột biến này trong nghiệm thức không xử lý mặn và nghiệm thức xử lý mặn, cho thấy: cà hai việc tích tụ trước stress và sau stress của những cơ chất biến dưỡng góp phần vào tính chống chịu mặn được tốt hơn trong dòng đột biến tín hiệu CK. Đặc biệt là, mức độ đường (e.g., trehalose và galactinol), amino acids (e.g., branched-chain amino acids và γ-aminobutyric acid), anthocyanins, sterols, và triacylglycerols chưa no, đều cao hơn trong dòng đột biến so với cây nguyên thủy (WT). Đáng chú ý là, sự kiện tái lập trình của flavonoid và nguồn lipid kết hợp chặt chẽ và xảy ra đồng thời với những thay đổi ở mức độ phân tử transcript, cho thấy rằng những chu trình biến dưỡng được điều tiết ở mức độ phiên mã bởi tín hiệu CK. Khám phá vai trò điều tiết của tín hiệu CK trên sự kiện tái lập trình lipid màng  cho chúng ta kiến thức rất lớn về tính chống chịu mặn trên cơ sở CK của thực vật. Kiến thức này sẽ góp phần phát triểngiống cấy trồng chống chịu mặn có khả năng chịu được mặn bền vững như chìa khóa của tài xế xe dẫn dắt loài người đảm bảo an ninh lương thực toàn cầu trong kỷ nguyên khí hậu biến thiên cực đoan.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/48/e2105021118

Theo dõi tương tác giữa cây và môi trường trong kính hiển vi bởi vi khuẩn Bacillus subtilis

Nguồn: Yangminghao Liu, Daniel Patko, Ilonka Engelhardt, Timothy S. George, Nicola R. Stanley-Wall, Vincent Ladmiral, Bruno Ameduri, Tim J. Daniell, Nicola Holden, Michael P. MacDonald, and Lionel X. Dupuy. 2021. Plant–environment microscopy tracks interactions of Bacillus subtilis with plant roots across the entire rhizosphere. PNAS November 30, 2021 118 (48) e2109176118

Ý nghĩa khoa học: Việc thiếu phương pháp tiếp cận hợp lý để nghiên cứu tương tác của vi khuẩn vùng rễ, còn sống và in-situ, làm hạn chế nghiêm trọng khả năng của chúng ta  hiểu được rhizosphere (sinh quần vùng rễ). Theo nghiên cứu này, người ta khắc phục hạn chế chủ yếu ấy bằng một hệ thống ảnh kết hợp transparent soils (đất trong suốt) với kính hiển vi có áng sáng mang tính chất cutting edge. Kết quả cho thấy đầu rễ là một điểm tiếp cận đầu tiên của vi khuẩn trước khi chúng phát triển quần hệ và cho thấy làm thế nào ảnh hưởng của tế khổng trong đất  gắn với tương tác giữa vi khuẩn và cây. Bằng hiệu quả sử dụng kết hợp như vậy light sheet microscopy và transparent soils, người ta phân tán sánh sáng trên một hiện tượng tương tác không nhìn thấy trước đây và thúc đẩy tiến trình hiểu biết  làm thế nào sinh quần vùng rễ được hình thành trong đất.

Những hiểu biết của chúng ta về tương tac giữa cây và vi khuẩn đất hết sức hạn chế bởi không quan sát được tiến trình diễn biến ở mức độ phải sử dụng kính hiển vi. Kết quả nghiên cứu này giới thiệu sự phát triển của kính hiển vi ba chiều sống động để hiểu được tương tác giữa cây và vi khuẩn đất của cây mới trồng tăng trưởng ra sao torng đất trong sạch (transparent soil) với công cụ tailor-made mesocosms, duy trì được trạng thái vật lý của canh tác cây trồng và diễn biến vi sinh vật đất. Hệ thống ánh sáng có thuật ngữ tailor-made, dual-illumination light sheet cần có những photons phân tán từ cây, trong khi sự truyền ảnh của ánh sáng huỳnh quang fluorescence bắt cùng nhịp với phần tử hạt đất trong suốt (transparent soil particles) và vi vật vật đất được đánh dấu, cho phép phát sinh ra cơ sở dữ liệu về số lượng của dung lượng mẫu ∼3,600 mm³ về kích thước, với kết quả tốt ở 5 µm resolution (độ phân giải), thực hiện scan (quét ảnh) sau mỗi 30 phút. Hệ thống được theo dõi chuyển động của quần thể vi khuẩn Bacillus subtilis trong sinh quần vùng rễ cây cải xà lách tại real time, cho biết thành phần từng hoạt động mà trước đây không thấy được. Motile bacteria ưa thích những khí khổng trong đất, đặc biệt gần mặt đất, định cư vùng rễ theo một tính cách pulsatile (nhịp nhàng). Sự di cư xảy ra theo hướng đầu rễ (root cap), điểm “tiếp xúc đầu tiên,” trước khi thực hiện định cư ngay sau đó (subsequent colonization) trên những tế bào biểu bì rễ trưởng thành. Kết quả này cho thấy kính hiển vi được thiết kế  cho phép người ta nghiên cứu môi trường một cách sốn động. Đây là một công cụ khoa học vô giá giúp người ta hiểu được tương tác giữa cây và vi khuẩn trong đất.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/48/e2109176118

Động thái định cư của quần thể vi khuẩn B. subtilis trên rễ cây cải xà lách, thông qua bộ dữ liệu toàn thể (whole dataset).