Nguồn vật liệu lúa cho gen điều khiển biến dưỡng kẽm

Nguồn: Mbolatantely Rakotondramanana, Ryokei Tanaka, Juan Pariasca-Tanaka, James Stangoulis, Cécile Grenier & Matthias Wissuwa. 2022.  Genomic prediction of zinc-biofortification potential in rice gene bank accessions. Theoretical and Applied Genetics July 2022; vol. 135: 2265–2278

Mô phỏng dự đoán gen (genomic prediction) thành công trong xác định hàm lượng Zn trong hạt gạo từ 3000 mẫu giống lúa trong ngân hàng gen. Điều ấy được minh chứng trong xét nghiệm các vật liệu cho được chọn lọc từ ruộng lúa Madagascar giàu kẽm trong hạt gạo. Hàm lượng kẽm (Zn) tăng trong bộ phận ăn được của mễ cốc, là cách tiếp cận với cải tiến biến dưỡng Zn bằng sinh học (Zn-biofortification), đây là mục tiêu cải tiến giống lúa toàn cầu để giải quyết vấn nạn khiếm dưỡng vi khoáng. Đặc biệt là trẻ em ở các nước như Madagascar đang đối mặt với rủi ro thiếu kẽm bởi vì nguồn lương thực chủ yếu của dân cư là lúa gạo, loài mễ cốc rất thiếu kẽm. Các giống lúa “biofortified” có hàm lượng kẽm tăng trong gạo sẽ là giải pháp tốt và mục tiêu của tác giả là khai thác cho được biến dị di truyền hiện hữu trong các mẫu giống có trong ngân hàng gen cây lúa rồi xác định các yếu tố di truyền thông qua mô phỏng “genomic prediction” và bản đồ di truyền căn cứ theo GWAS (genome-wide association studies). Một tập đoàn “training” bao gồm 253 mẫu giống lúa được trồng trên hai địa điểm ở Madagascar để xác định hàm lượng kẽm và năng suất. Phân tích GWAS mang tính chất “multi-locus” tại 8 loci chọn lựa. Trong đó, QTN_11.3 có ảnh hưởng lớn nhất và một alen hiếm đã làm tăng hàm lượng kẽm trong hạt lên 15%. Mô phỏng toán “genomic prediction” được người ta phát triển trên tập đoàn “training” này nhằm dự đoán hàm lượng kẽm Zn của 3000 mẫu giống lúa đã được gỉai trình tự. Các thông lượng dự đoán biến thiên từ 17.1 đến 40.2 ppm với mức dự đoán chính xác là 0.51. Một thông số khẳng định có tính chất độc lập với 61 mẫu hạt giống của ngân hàng gen cung cấp kết quả hệ số tương quan chặt chẽ (r = 0.74) giữa giá trị đo đếm và giá trị dự đoán theo mô hình toán. Các mẫu giống lúa thuộc loại hình aus có hàm lượng kẽm dự đoán cao nhất và kết quả này được minh chứng bằngthí nghiệm đồng ruộng bổ sung, với một donor rất tiềm năng (giống cho gen đích) lớn hơn gấp đôi hàm lượng kẽm trong gạo so với giống lúa đối chứng. Tác giả kết luận rằng sử dụng những donors thuộc loại hình cây lúa aus và áp dụng kỹ thuật “sàng lọc di truyền” (genomic selection) trong tiến trình cải tiến giống lúa là phương pháp triển vọng để gia tăng hàm lượng kẽm trong hạt gạo.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04110-2

Hình: Biến thiên hàm lượng Zn của những mẫu giống lúa; “training set” (n=253).

Di truyền hàm lượng carotenoid trong hệ gen cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Janardanan Sreekumar, P A Muhammed Sadiq, Saravanan Raju, Archana Mukherjee. 2022. In silico analysis of carotenoid biosynthesis pathway in cassava (Manihot esculenta Crantz). J. Genet.; on-line 4 January 2022; 101:2. https://doi.org/10.1007/s12041-021-01345-8

Các phân tử apocarotenoids có một vai trò quan trọng trong tăng trưởng và phát triển thực vật, đặc biệt là strigolactones, nó có thể kích hoạt ra rễ và giúp cho tương tác của cây với các vi sinh vật đất trơn tru. Các phân tử ấy còn hoạt động như những colorants, antioxidants, hormones, những thành phần truyền tín hiệu, mùi thơm/aroma và chromophores. Những phương pháp tiếp cận có tính chất in silico rất giá trị trong việc làm giảm phức chất có liên quan đến hệ thống vận hành các gen của cây, giúp các nhà nghiên cứu phát triển chiến thuật mới có tính chất công nghệ sinh học và công nghệ tin sinh học. Một phân tích hệ gen in silico theo kiểu so sánh của những enzymes chủ chốt được gen mã hóa trong gồm trong quá trình sinh tổng hợp apocarotenoid của hệ gen cây sắn được tiến hành sử dụng những cây trung gian như cây arabidopsis, cà chua, khoai tây và khoai lang. Bốn mươi gen liên quan đến carotenoid được phân lập, những chuỗi trình tự nucleotide được minh chứng bằng các phân tích khác nhau về trình tự DNA điều tiết như dự báo phân tử TFs (transcription factor), phân tích CpG island, phân tích microRNA điều tiết và phân tích trình tự của promotor. Các trình tự của phân tử protein tương ứng được xác định thông qua domain/motif của protein và phân tích di truyền huyết thống (phylogenetic analysis). Phổ biểu hiện các gen liên quan đến apocarotenoid trong hệ gen cây sắn được tạo ra và dự đoán vị trí mang tính chất subcellular được tiến hành để xác định sự phân bố của những proteins như vậy. Kết quả cho thấy: những domains của apocarotenoid protein có tính chất bảo thủ cao trong cây trung gian và cây sắn. Mười tám transcription factors như MYB, BBR-BPC, bHLH và NAC có liên quan đến các gen phân lập điều khiển carotenoid trong cây sắn được tìm thấy. Những apocarotenoid genes được tìm thấy biểu hiện trong tất cả mọi cơ quan của cây sắn. Các gen ấy phân bố trên 17 nhiễm sắc thể trong (18 NST) của hệ gen cây sắn. Một phần ba chứa số gen tối đa. Phân tử miRNA trong phân tích, người ta phân lập được 3 phân tử microRNAs, đó là miR159a, miR171b và miR396a chúng nối kết có ý nghĩa với sinh tổng hợp carotenoid trong cây sắn và lộ trình sinh tổng hợp ấy được tái cấu trúc bằng cách tích hợp thông tin đã nói phía trên. Sự hiểu biết cặn kẽ các gen này và lộ trình gắn kết với sinh tổng hợp carotenoid của cây sắn sẽ giúp rất nhiều cho chương trình cải tiến giống sắn cao sản giàu hàm lượng carotenoid.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35129135/

Di truyền tính kháng nấm Sclerotinia của cây đậu nành (Glycine max)

Nguồn: Wei Wei, Xing Wu, Laureen Blahut-Beatty, Daina H. Simmonds, and Steven J. Clough. 2022. Transcriptome Profiling Reveals Molecular Players in Early Soybean–Sclerotinia sclerotiorum Interaction. APS Publication; Genetics and Genomics of Resistance. On line July 1 2022;

Nấm Sclerotinia sclerotiorum gây ra bệnh thối thân (Sclerotinia stem rot) của cây đậu nành. Sử dụng phương pháp RNA sequencing, phân tích transcriptomes đối với cây đậu nành và nấm gây bệnh S. sclerotiorum cùng một lúa nhằm xác định tương tác ký chủ x ký sinh ở giai đoạn 4 và 8 giờ sau khi chủng nguồm nấm bệnh. Vật liệu bao gồm hai giống đậu nành: giống  chuyển gen “resistant oxalate oxidase (OxO)” kháng bệnh và giống nhiễm, AC Colibri (AC). Trong 594 gen các tác động làm giảm bệnh do nấm S. sclerotiorum, cả hai cây chủ đều biểu hiện gen có liên quan đến jasmonic acid, ethylene, oxidative burst, và phenylpropanoids. Trong đó, 36% DEGs (differentially expressed genes) gen mã hóa gắn kết với các TFs (transcription factors), tiến trình ubiquitin hóa, hoặc truyền tín hiệu chung ví dụ như receptor-like kinases, mitogen-activated protein kinase kinases, và hormones. Không có DEGs có ý nghĩa được phân lập giữa hai giống đậu nành, cho thấy oxalic acid (OA) không đóng vai trò làm phân biệt kháng nhiễm ở giai đoạn đầu nấm bệnh xâm nhiễm vào cây hoặc giai đoạn hình thàn vết bệnh sơ cấp trong nghiệm thức mà các điều kiện được xác định. Xem xét tập tính của pathogen thống qua biểu hiện gen của nó trong giai đoạn xâm nhiễm vào cây, hàng nghìn gen của nấm S. sclerotiorum được kích hoạt vào lúc 8 giờ sau khi chủng, so với biểu hiện trong môi trường nuôi cấy. Nhiều enzymes phân giải thành tế bào thực vật (PCWDEs), gen vận chuyển đường, và các gen có trong chất biến dưỡng thứ cấp (secondary metabolism) điều tiết theo kiểu UP và có thể tham gia vào quá trình phát sinh bệnh đầu tiên (early pathogenesis). Khi chủng nhiễm vào cây OxO, có một sự kích hoạt mạnh mẽ hơn các gen mã hóa OA, botcinic acid, PCWDEs, proteases, và potential effectors, cho thấy sự phong phú của những virulence factors (yếu tố gây độc) sẵn có trong pathogen vì có cố gắng ký sinh vào cây chủ. Số liệu thí nghiệm xác định được hàng trăm gen gắn kết với rất nhiều giai  đoạn xâm nhiễm sớm của cây chủ và pathogen.

Xem https://apsjournals.apsnet.org/doi/full/10.1094/PHYTO-08-21-0329-R

Bệnh khảm sắn – Quản lý bệnh ở Đông Nam Á

Nguồn: Ayaka Uke, Hiroki Tokunaga, Yoshinori Utsumi, Nguyen Anh Vu, Pham Thi Nha, Pao Srean, Nguyen Huu Hy, Le Huy Ham, Luis Augusto Becerra Lopez-Lavalle, Manabu Ishitani, Nguyen Hung, Le Ngoc Tuan, Nguyen Van Hong, Ngo Quang Huy, Trinh Xuan Hoat, Keiji Takasu, Motoaki Seki, Masashi Ugaki. 2022. Cassava mosaic disease and its management in Southeast Asia.Plant Mol Biol.; 2022 Jun; 109(3):301-311. 

Tình trạng bùng phát bệnh khảm CMD (cassava mosaic disease) trên cây sắn ở Đông Nam Á được tổng hợp trong nghiên cứu này. Sản xuất hom sắn sạch bệnh, hom khỏe và hệ thống phân phối hom sắn đã và đang được tiến hành ở Việt Nam và Cambodia, bên cạnh hệ thống phòng trừ tổng hợp, để chống với dịch bùng phát tại đây. Sắn (Manihot esculenta Crantz) là một trong những loài cây lương thực quan trọng của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới. Gần đây, sâu bệnh hại chính đã gây thiệt hại nghiêm trọng vùng sản xuất sắn tại Đông Nam Á (ĐNA). Tổng quan thảo luận sự bộc phát bênh khảm trên cây sắn (CMD) do siêu vi có tên là Sri Lankan cassava mosaic virus (SLCMV) tại ĐNA, tóm lược các triệu trứng giống nhau giữa SLCMV và những siêu vi gây bệnh cassava mosaic begomoviruses. Dự án có tên SATREPS (Science and Technology Research Partnership for Sustainable Development) với "Phát triển và chia sẻ những phương thức canh tác bền vững trên cơ sở quản lý vector côn trùng diễn ra trên cây sắn ở Việt Nam, Cambodia và Thailand", khởi động vào năm 2016, được tài trợ bởi The Japan International Cooperation Agency (JICA) và The Japan Science and Technology Agency (JST), Nhật Bản. Mục tiêu của SATREPS là xây dựng hệ thống sản xuất họm giống sạch bệnh, hom khỏe và các hệ thống chia sẻ nguồn giống tại miền nam Việt Nam và Cambodia, phát triển hệ thống quản lý sâu bệnh hại cây sắn. Để có được các mục đích ấy, những hệ thống mang tính chất mô phỏng về sản xuất hom sắn khỏe tại Vietnam và Cambodia đã và đang được phát triển kết hợp giống kháng CMD thông quan mạng lưới khảo nghiệm quốc tế điều phối bởi CIAT (The International Center for Tropical Agriculture) và IITA (The International Institute of Tropical Agriculture).

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34240309/

Di truyền tính chống chịu mặn của cây lúa thông qua OsPP65

Nguồn: Qing Liu, Jierong Ding, Wenjie Huang, Hang Yu, Shaowen Wu, Wenyan Li, Xingxue Mao, Wenfeng Chen, Junlian Xing, Chen Li & Shijuan Yan. 2022. OsPP65 Negatively Regulates Osmotic and Salt Stress Responses Through Regulating Phytohormone and Raffinose Family Oligosaccharide Metabolic Pathways in Rice. Rice Published: 02 July 2022;  volume 15, Article number: 34

Mặc dù “type 2C protein phosphatases” (PP2Cs) đã được chứng minh là có vai trò quan trọng trong điều tiết sự phát triển thực vật và điều tiết nhiều phản ứng đối với stress, nhưng vài trò thực sự chuyên biệt của nó trong chống chịu stress phi sinh học của cây lúa vẫn chưa được biết rõ. Theo nghiên cứu này,các chức năng của OsPP65 trong stress có tính chất rice osmotic (điều tiết áp suất thẩm thấu) và stress mặn đã được nghiên cứu. Ở đây, các tác giả báo cáo rằng OsPP65 phản ứng có tính chất multiple stresses, được kích hoạt rất rõ ràng bởi áp suất thẩm thấu và xử lý stress mặn. OsPP65 biểu hiện mạnh mẽ  trong cây mạ và trong lá lúa, định vị tại nhân và tế bào chất. Người ta knockout OsPP65 kết quả cây lúa  tăng cường tính chống chịu osmotic và stress mặn. Sự kích hoạt cao hơn có ý nghĩa của những gen năm trong chu trình sinh tổng hợp jasmonic acid (JA) và abscisic acid (ABA) hoặc truyền tín hiệu, hàm lượng cao hơn JA và ABA nội sinh, được quan sát trong cây OsPP65 knockout so với cây nguyên thủy (wild-type), sau khi xử lý chúng trong nghiệm thức osmotic stress. Phân tích sâu hơn cho thấy chức năng của JA và ABA một cách độc lập, trong chống chịu với osmotic stress đều có liên quan đến sự mất protein OsPP65. Hơn nữa, phân tích metabolomics cho thấy rằng những mức độ cao hơn bình thường các chất nội sinh như galactose và galactinol nhưng thấp hơn của chất rafnose trong cây lúa OsPP65 knockout so ánh với cây nguyên thủy (wild-type) sau khi người ta xử lý osmotic stress. Những kết quả như vậy cho thấy OsPP65 điều tiết ngược lại với tính chống chịu osmotic stress và stress mặn thông qua tiến trình điều tiết  lộ trình truyền tín hiệu của JA và ABA, modul hóa tiến trình biến diễn rafnose family oligosaccharide của cây lúa. OsPP65 là một mục tiêu đầy triển vọng để cải tiến cây lúa chống chịu với stress bằng chỉnh sửa gen.

Xem  https://link.springer.com/content/pdf/10.1186/s12284-022-00581-5.pdf

Phản ứng stres qua trung gian OsPP65 bao gồm sự điều tiết biến dưỡng RFO của cây lúa.

1. Số lượng chất biến dưỡng sơ cấp và chất biến dưỡng chưa biết được xác định nhờ GC–MS.
2. Số lượng và tỷ lệ các chất biến dưỡng được phân lập trong những classes khác nhau.
3. Những thay đổi kích thước (fold) của galactinol và rafnose trong cây lúa WT và cây lúa OsPP65 knockout sau 4 giờ xử lý osmotic stress đến nghiệm thức 0 giờ.
4. Những thay đổi kích thước (fold) trong biểu hiện các enzymes chủ chốt có trong RFO metabolism của cây lúa WT và cây lúa OsPP65 knockout sau 4 giờ xử lý osmotic stress đến nghiệm thức 0 giờ.
5. Trung bình±SD ba lần nhắc lại (15 cây cho mỗi lần nhắc), dấu hoa thị là khác biệt có ý nghĩa so với đối chứng WT ở mức độ *P <0.05 Duncan test.