ZmR1 làm tăng anthocyanin trong hệ gen cây bắp

Nguồn: Meijie Luo, Baishan Lu, Yaxing Shi, Yanxin Zhao, Zhiyuan Wei, Chunyuan Zhang, Yuandong Wang, Hui Liu, Yamin Shi, Jinxiao Yang, Wei Song, Xiaoduo Lu, Yanli Fan, Li Xu, Ronghuan Wang & Jiuran Zhao. 2022.  A newly characterized allele of ZmR1 increases anthocyanin content in whole maize plant and the regulation mechanism of different ZmR1 alleles. Theoretical and Applied Genetics September 2022; vol. 135: 3039–3055

Hình: Hình thái học của tế bào có anthocyanin của cơ quan hoa bắp. (Irani et al. 2005)

Alen mới ZmR1^CQ01 được phân lập là alen điều khiển sinh tổng tổng anthocyanin trong cây bắp, chức năng sinh học và cơ chế điều tiết ở mức độ phân tử của 3 alen ZmR1 được thảo luận.

Anthocyanins trong cây bắp rất có giá trị đối với sức khỏe con người. Họ gen R1 là một trong những gen điều tiết quan trọng đối với sự phân bố trong các mô chuyên biệt hàm lượng anthocyanins. Biến thiên di truyền của R1 rất phong phú,chức năng sinh học của gen và cơ chế điều tiết ở mức độ phân tử vẫn chưa được người ta biết rõ ràng. Nhờ khai thác bản đồ di truyền và sự minh chứng của gen chuyển nạp (transgenic verification), người ta đã tìm thấy sắc tố anthocyanin của lá bắp được điều khiển bởi gen đích ZmR1 định vị trên nhiễm sắc thể 10. Trắc nghiệm allelism gen lặn đột biến hóa chất EMS là zmr1 người ta xác định được sắc tố anthocyanin pigmentation trong bẹ lá cũng được điều khiển bởi ZmR1. ZmR1^CQ01 là biến thể di truyền mới ZmR1 được thu thập từ cây bắp tím. Sự biểu hiện mạnh mẽ của gen làm cho toàn thân cây bắp chuyển thành màu tím. Alen ZmR1^B73 có liên quan đến sự tích tụ anthocyanin ở gần bẹ lá sát đất nhiều hơn là ở gân lá. Biểu hiện phân tử mRNA của gen ZmR1^B73 thấp trong gân lá, làm cho anthocyanin không tích tụ. Sự biểu hiện mạnh mẽ ZmR1^B73 đã làm tăng cường sự tích tụ anthocyanin trong gân lá. Sự mất của exon 5 dẫn đến phá vở chức năng alen ZmR1^ZN3  và không có sự tích tụ anthocyanin trong gân lá và trong bẹ lá. Kết quả chạy “DNA affinity purification sequencing” cho thấy có 1010 gen hướng đích đến tổng hợp ZmR1^CQ01, bao gồm bz2 trong chu trình tổng hợp anthocyanin. Kết quả chạy “RNA-seq analysis” cho thấy có 55 gen hướng đích đến tổng hợp ZmR1^CQ01 đã làm thay đổi mức độ biểu hiện gen rất đáng kể, sự biểu hiện của những gen mã hóa các enzymes chủ chốt trong sinh tổng hợp flavonoid và phenylpropanoid điều tiết theo kiểu “up” có ý nghĩa. Chỉ thị phân tử có chức năng của ZmR1 được người ta phát triển thành công. Kết quả này ghi nhận rằng ảnh hưởng của điều tiết phiên mã và biến thể trình tự DNA về chức năng của gen ZmR1 được xác định và các gen này đã được phân lập bởi ZmR1^CQ01 với quy mô toàn bộ hẹ gen (genome-wide level).

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04166-0

Kiến trúc di truyền của tính trạng thân bò và vỏ củ khoai tây tứ bội khi trưởng thành

Nguồn: Maria V. Caraza-Harter & Jeffrey B. Endelman. 2022. The genetic architectures of vine and skin maturity in tetraploid potato Theoretical and Applied Genetics Sept. 2022; vol. 135: 2943–2951

Hình: Sự suy giảm hệ gen của khoai tây tứ bội thể khẳng định bản chất di truyền, biến thể haplotype, và các locicó liên quan đến tính trạng nông học cần thiết.

Kiến trúc di truyền của tính trạng thân bò cây khoai tây và vỏ củ khoai khi trưởng thành, cũng như tương quan giữa các tính trạng này đã được người ta nghiên cứu thông qua kỹ thuật di truyền số lượng và genome học.

Thân bò khoai tây (potato vine) và vỏ củ chín (skin maturity), liên quan đến mức độ hóa già của lá (foliar senescence) và sự bám chặt của biểu bì củ khoai (tuber periderm), theo thứ tự. Tất cả đều quan trọng cho sản lượng khoai tây và cho nội dung cải tiến giống. Mục tiêu của nghiên cứu này là  nghiên cứu kiến trúc di truyền của những tính trạng nói trên trong một tập đoàn giống khoai tây  được sử dụng làm “genome-wide association” với 586 mẫu giống, thông qua phương pháp “joint linkage mapping” trong một “half-diallel subset” (N = 397). Tính trạng “skin maturity” được đo lường bằng phân tích hình ảnh sau khi thu hoạch vào lúc 120 ngày sau khi trồng. Để làm chính xác ảnh hưởng của tính trạng “vine maturity” đối với “skin maturity” trong điều kiện như vậy, người ta sử dụng phương pháp “covariate” trong phân tích thống kê (các giá trị hợp sai). Hệ số di truyền trên cơ sở chạy “10 K SNP array” là 0,33 đối với tính trạng “skin maturity” so sánh với 0,46 của tính trạng “vine maturity”. Chỉ có một QTLs thứ yếu được tìm thấy đối với tính trạng “skin maturity”, QTL lớn nhất định vị trên nhiễm sắc thể 9, giải thích được 8% biến thiên kiểu hình. Giống như kết quả của nhiều nghiên cứu truóc đó, S. tuberosum Cycling DOF Factor 1 (CDF1) có ảnh hưởng lớn đến tính trạng “vine maturity”, giải thích được 33% biến thiên kiểu hình trong nghiệm thức “bi-allelic SNP”; giải thích được 44% biến thiên kiểu hình trong nghiệm thức “half-diallel” như một QTL có tính chất “multi-allelic”. Từ những ảnh hưởng dự đoán ấy của haplotypes bố mẹ trong nghiệm thức “half-diallel” và từ kiến thức có trước đó của “allelic series” đối với CDF1, alen CDF1 của mỗi haplotype được người ta dự đoán và khẳng định mạnh mẽ thống qua chạy trình tự DNA có tính chất “whole-genome sequencing”. Khả năng nối kết các alen có tính chất thống kê như vậy từ các mô phỏng toán học QTL với các alen sinh học trên cơ sở chạy trình tự DNA ghi nhận đây là một cột mốc mới trong nội dung cải tiến giống tứ bội thể nhờ thành tựu genomics.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04159-z

Di truyền hàm lượng glucosinolate trong hạt Brassica napus L.

Nguồn: Hongbo Chao, Huaixin Li, Shuxiang Yan, Weiguo Zhao, Kang Chen, Hao Wang, Nadia Raboanatahiry, Jinyong Huang & Maoteng Li. 2022.  Further insight into decreases in seed glucosinolate content based on QTL mapping and RNA-seq in Brassica napus L. Theoretical and Applied Genetics September 2022; vol. 135: 2969–2991

Những điểm nóng của QTL xác định hàm lượng glucosinolate trong hạt cây cải dầu (tính trạng SGC) thay vì chỉ xem xét bốn loci HAG1 và minh chứng một mô phỏng điều tiết có thể xảy ra trong biến biên tính trạng SGC của cây cải dầu (rapeseed).

Glucosinolates (GSLs) là cơ chất biến dưỡng thứ cấp giàu lưu huỳnh, phóng thích amino acid. Nó có chức năng như một thuốc sinh học diệt sâu (biopesticides) và có phức chất flavor, nhưng nếu hàm lượng SGC (seed glucosinolate content) quá cao sẽ làm giảm phẩm chất hạt cải dầu dùng cho thực phẩm. Muốn nghiên cứu cơ chế di truyền và làm sao giảm  đi SGC trong cây rapeseed, người ta sử dụng phương pháp “QTL mapping” có cải tiến, sử dụng bản đồ di truyền phân giải cao trên cơ sở quần thể con lai đơn bội kép DH (doubled haploid) từ cặp lai hai bố mẹ, chúng biểu hiện sự khác biệt về tính trạng SGC. Tại 15 địa điểm khảo nghiệm khác nhau, người ta phân lập được 162 QTLs có ý nghĩađối với tính trạng SGC. Người ta tích hợp thành 59 QTL có tính chất nguyên tắc (consensus QTLs), trong đó, có 32 QTLs mới. Bốn vùng là điểm nóng của QTL là QTL-HRs (QTL hotspot regions) đối với biến thể của SGC được người ta tìm thấy định vị trên nhiễm sắc thể A09, C02, C07 và C09, bao gồm QTLs chủ lực đã được báo cáo trước đây rồi và bốn QTLs chủ lực bổ sung vào loci HAG1. Tính trạng SGC được xác định bởi “superimposition” alen có ưu điểm  trong bốn QTL-HRs. Những gen ứng cử viên quan trọng liên quan trực tiếp đến chu trình GSL đã được phân lập thành bốn QTL-HRs, bao gồm BnaC09.MYB28, BnaA09.APK1, BnaC09.SUR1 và BnaC02.GTR2a. Những ứng cử viên này biểu hiện khác biệt nhau  xác định QTL thứ yếu nhưng những QTL có tính ổn định theo môi trường cho thấy chúng đóng vai trò đồng hóa lưu huỳnh (sulfur assimilation) quan trọng hơn vai trò dominant trong biến dị truyền tính trạng SGC. Mô phỏng toán học về điều tiết có khả năng xảy ra cho biến dị di truyền tính trạng SGC của cải dầu được kiến trúc bởi sự tích hợp các gen GSL và kết quả chạy DEG (differentially expressed gene) trên cơ sở kết quả RNA-seq đã góp phần giúp người ta hiểu tốt hơn về cơ chế mang tính chất tích tụ GSL. Nghiên cứu này đã cung cấp cho chúng ta luận điểm sâu xa hơn về cơ chế điều tiết trong di truyền của GSLs, cũng như các loci tiềm năng và con đường mới làm giảm bớt được hàm lượng SGC trong hạt cải dầu.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04161-5

Di truyền tính trạng chiều ngang lá cây cao lương và hiệu quả thoát hơi nước

Nguồn: Xiaoyu Zhi, Graeme Hammer, Andrew Borrell, Yongfu Tao, Alex Wu, Colleen Hunt, Erik van Oosterom, Sean Reynolds Massey-Reed, Alan Cruickshank, Andries B. Potgieter, David Jordan, Emma Mace & Barbara George-Jaeggli. 2022. Genetic basis of sorghum leaf width and its potential as a surrogate for transpiration efficiency. Theoretical and Applied Genetics Sept. 2022; vol. 135: 3057–3071

Tính trạng chiều ngang lá tương quan với hiệu quả thoát hơi nước của cây (plant-level transpiration efficiency), được kết hợp bởi 19 QTL điều khiển trong cây cao lương, gợi ra rằng đây có thể là một tính trạng thay thế (surrogate) cho “hiệu quả thoát hơi nước” trong chương trình cải tiến giống.

Tăng cường hiệu quả thoát hơi nước (TE: transpiration efficiency) bằng cách làm giảm thoát hơi nước mà không nhờ quang hợp để năng suất vẫn là một mục tiêu chọn lọc mong muốn trong chương trình cải tiến giống cây trồng. Trong khi làm hẹp chiều ngang lá có tương quan với hiệu quả sử dụng nước về bản chất tự nhiên của cây trồng thuộc C₄, càng làm tăng hiệu quả thoát hơi nước; vẫn chưa được người ta nghiên cứu nhiều. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá tương quan giữa chiều ngang lá với TE ơ quy mô toàn thân cây và nghiên cứu di truyền tính trạng chiều ngang lá cây cao lương. Người ta thực hiện hai loại hình thí nghiệm với 16 vật liệu giống cao lương biểu thị khi khổng đóng mở rất khác biệt nhau tại 3 ruộng thí nghiệm, sử dụng tập đoàn giống cao lương có đa dạng di truyền lớn (n = 701 dòng giống). Kết hợp âm tính của chiều ngang lá với TE được tìm thấy trong thí nghiệm có tính chất lysimetry, cho thấy lá hẹp có thể làm giảm thoát hơi nước mà không cần trade-offs của tích tụ sinh khối. Một quy mô rộng của nguồn vật liệu có chiều ngang lá khác nhau của giống có lá lớn nhất được tìm thấy trong tập đoàn cao lương đa dạng với mức xếp hạng “sorghum races”, cho thấy sự thích nghi với môi trường có thể là vai trò chính trong việc cải biên tính trạng chiều ngang lá. Mười chín QTL được người ta xác định được nhờ GWAS (genome-wide association studies) đối với tính trạng chiều ngang lá được điều chỉnh vào thời điểm trổ bông. Chính QTL ấy được phân lập biểu hiện mức độ cao tương ứng với cây bắp và cây lúa, gợi ra rằng sự tương đồng trong kiểm soát di truyền tính trạng chiều ngang lá của các loài mễ cốc. Ba gen ứng cử viên có tính chất ưu việt đối với tính trạng chiều ngang lá, còn được tìm thấy trước đây có chức năng điều tiết dorsoventrality (lưng bụng), được xác định trên ngưỡng 1-cM. Kết quả rất hữu ích cho kiến thức sinh lý và di truyền đối với thao tác điều khiển tính trạng chiều ngang là để cải tiến sự thích nghi của cây với ngoại cảnh hết sức đa dạng.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04167-z