OsSAPK3 cải thiện tính trạng chống chịu khô hạn và năng suất lúa

Nguồn: Dengji Lou, Suping Lu, Zhen Chen, Yi Lin, Diqiu Yu, Xiaoyan Yang. 2023. Molecular characterization reveals that OsSAPK3 improves drought tolerance and grain yield in rice. BMC Plant Biol.; 2023 Jan 24;23(1):53. doi: 10.1186/s12870-023-04071-8.

Nhiều số liệu cho rằng sucrose non-fermenting 1-related kinases 2 (SnRK2s) rất quan trọng đối với stress phi sinh học của thực vật. Riêng cây lúa, những kinases như vậy được biết như osmotic stress/ABA-activated protein kinases (SAPKs). Stress có tính chất áp suất thẩm thấu /  protein kinase 3 kích hoạt ABA (OsSAPK3) là thành viên của họ protein SnRK2II trong cây lúa. CHức năng của nó ra sao vẫn còn chưa rõ ràng.

Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng: Sự biểu hiện của OsSAPK3 được điều tiết theo kiểu “up” khi phản ứng với khô hạn, NaCl, PEG và ABA. Protein OsSAPK3 ở giai đoạn hạt nẩy mầm (sapk3-1 và sapk3-2) biểu tính siêu nhạy cảm suy giảm đối với ABA từ bên ngoài. Hơn nữa, trong điều kiện khô hạn, sapk3-1 và sapk3-2 biểu hiện không chống chịu nhiều hơn với stress khô hạn, bao gồm mức độ cây sống sót giảm đi, mức độ cây mất nước tăng lên, sự vận chuyển nước qua khí khổng tăng lên và mức độ biểu hiện SLAC1 và SLAC7 suy giảm đáng kể. Kết quả phân tích sinh lý và biến dưỡng cho thấy: OsSAPK3 có thể đóng vai trò quan trọng trong chu trình truyền tín hiệu  đối với stress khô hạn bởi ảnh hưởng điều tiết áp suất thẩm thấu và những thể osmolytes, giải độc ROS và biểu hiện ra các gen có liên quan đến sự lệ thuộc ABA và không lệ thuộc ABA khi phản ứng với thiếu nước. Tất cả kết quả phân tích tính trạng nông học chứng minh được rằng OsSAPK3 có thể cải tiến năng suất lúa thông qua ảnh hưởng điều tiết  về số chồi thân và kích cỡ hạt thóc.

OsSAPK3 có vai trò quan trọng trong phản ứng với khô hạn cả hai cơ chế lệ thuộc ABA và không lệ thuộc ABA. Thú vị hơn hết là OsSAPK3 có thể cải tiến năng suất lúa thông qua ảnh hưởng gián tiếp của số chồi thân và kích cỡ hạt thóc. Kết quả đã cung cấp luận điểm mới để phát triển giống lúa cao sản chống chịu khô hạn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36694135/

Giải mã di truyền tính kháng tuyến trùng rễ đậu nành

Nguồn: Yu Tian, Delin Li, Xueqing Wang, Hao Zhang, Jiajun Wang, Lijie Yu, Changhong Guo, Xiaoyan Luan, Xinlei Liu, Hongjie Li, Jochen C. Reif, Ying-hui Li & Li-juan Qiu. 2023.  Deciphering the genetic basis of resistance to soybean cyst nematode combining IBD and association mapping. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 50 (2023); Published: 13 March 2023

Kết quả phân tích IBD đã làm rõ được động thái của tái tổ hợp nhiễm sắc thể trong suốt tiến trình lai chọn phả hệ ZP và xác định được mười vùng trong hệ gen đậu nành kháng tuyến trùng SCN race3 kết hợp với kết quả chạy bản đồ association.

Tuyến trùng rễ đậu nành có tên tiếng Anh là “soybean cyst nematode” (viết tắt SCN), tên khoa học: Heterodera glycines Ichinohe. Đây là một trong những pathogens có sức phá hại nghiêm trọng bậc nhất trên sản lượng đậu nành toàn cầu. Giống đậu nành Zhongpin03-5373 (ZP), dẫn xuất từ tổ tiên bố mẹ có gen kháng SCN-resistant từ giống đậu nành Peking, PI 437654. Giống dậu nành Huipizhi Heidou, là dòng ưu việt có tính kháng cao với nòi SCN race3. Kết quả nghiên cứu này cho thấy bản đồ biến dị có tính chất phả hệ (pedigree variation map) được tạo nên với giống ZP và 10 progenitors (tổ tiên) sử dụng 3.025.264 chỉ thị phân tử SNPs chất lượng cao; đã xác định được trung bình 16,2 × re-sequencing đối với từng hệ gen (each genome). Thông qua kết quả theo dõi dấu vết IBD (identity by decent), tác giả chứng minh được thay đổi động học của genome và tìm thấy những đoạn phân tử IBD quan trọng, chúng phản ánh kết quả chọn lọc rõ ràng của những tính trạng nông học quan trọng trong tiến lai tạo ra giống đậu nành ZP. Tổng số 2.353 đoạn phân tử IBD có liên quan đến tính kháng SCN bao gồm gen kháng tuyến trùng rhg1, rhg4 và NSF_RAN07 được người ta phân lập trên cơ sở quy trình sàng lọc di truyền tính kháng. Ngoài ra, có 23 vùng trong genome làm nền tảng cho tính kháng tuyến trùng SCN race3 được xác định bởi phương pháp GWAS trong 481 giống đậu nành đã được chạy trình tự lần nữa (re-sequenced). Mười loci thông dụng được tìm thấy nhờ kết quả IBD tracking và GWAS. Kết quả chạy haplotype của 16 gen ứng cử viên đầy tiềm năng cho thấy có một chỉ thị SNP đích (C/T, − 1065) định vị tại promoter của gen Glyma.08G096500 và mã hóa một protein dự đoán liên quan đến TIFY5b trên nhiễm sắc thể 8, nó tương quan thuận khá chặt chẽ với tính kháng SCN race3 resistance. Kết quả làm rõ động thái của những đoạn phân tử trong genome trong phương pháp chọn giống theo phả hệ của giống đậu nành ZP  và cơ sở di truyền của tính kháng tuyến trùng SCN, tất cả sẽ cung cấp một thông tin hữu ích về dòng hóa gen đích và phát triển giống đậu nành kháng tuyến trùng rễ thông qua chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS).

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04268-3

Gen ứng cử viên “R3-MYB repressor Mybr97”  và locus Anthocyanin3 của cây bắp

Nguồn: Michael N. Paulsmeyer & John A. Juvik. 2023. R3-MYB repressor Mybr97 is a candidate gene associated with the Anthocyanin3 locus and enhanced anthocyanin accumulation in maize. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 55 (2023); Published: 13 March 2023

Anthocyanin3 ức chế anthocyanin và chu trình monolignol trong cây bắp. Kỹ thuật “Transposon-tagging”, “RNA-sequencing”, và “GST-pulldown” xác định được anthocyanin3; nó có thể là protein  ức chế R3-MYB - gen Mybr97.

Anthocyanins là những phân tử màu sắcthu hút sự chú ý gần đây của chúng ta bởi vì những ích ích của nó đối với sức khỏe con người và những áp dụng như là những chất tạo màu tự nhiên (natural colorants) và dược phẩm nutraceuticals. Giống bắp tím đang được nghiên cứu ví nguồn vật liệu này rất kinh tế, cung cấp anthocyanins. Anthocyanin3 (A3) được biết là chất tăng cường thể lặn (recessive intensifier) của sắc tố anthocyanin trong cây bắp. Theo kết quả nghiên cứu này, hàm lượng anthocyanin được tăng lên gấp 100 lần trong cây bắp recessive a3.

Hình: Phổ biểu hiện anthocyanin trong hạt bắp (Peniche-Pavía et al. 2020).

Hai phương pháp tiếp cận được sử dụng để tìm thấy những ứng cử viên có trong cây bắp a3 intense purple. Thứ nhất, quần thể transposon-tagging quy mô lớn được người ta tạo ra với phân tử chèn đoạn Dissociation (Ds) ở cận gen Anthocyanin1. Một dòng đột biến de novo a3-m1::Ds được tạo ra, và phân tử chèn đoạn transposon này được tìm thấy định vị tại promoter của gen Mybr97, gen đồng dạng với gen R3-MYB repressor CAPRICE của cây mô hình Arabidopsis. Thứ hai, dùng quần thể “bulked segregant RNA-sequencing” để tìm thấy những khác biệt trong biểu hiện giữa pools của cây bắp green A3 và của cây bắp purple a3. Tất cả gen có trong sinh tổng hợp anthocyanin được định tính, chúng điều tiết theo kiểu “up” trong cây bắp a3 bên cạnh rất nhiều gen có trong chu trình monolignol. Gen Mybr97 điều tiết theo kiểu “down” trong cây bắp a3, cho thấy vai trò của nó là một regulator thụ động (negative regulator) trong chu trình anthocyanin. Biểu hiện gen liên quan đến quang tổng hợp bị giảm xuống trong cây bắp a3 thông quan một cơ chế chưa biết rõ ràng. Rất nhiều phân tử TFs (transcription factors) và các gen sinh tổng hợp cũng biểu hiện theo kiểu “up”, cần được nghiên cứu sâu hơn. Gen Mybr97 có thể ức chế sinh tổng hợp anthocyanin bởi gắn với phân tử protein TFs có mô típ helix–loop helix như Booster1. Nói chung, gen Mybr97 là gen ứng cử viên ưa thích nhất tại locus A3. A3 có ảnh hưởng khá sâu  trong cây bắp, hàm ý trong bảo vệ cây trồng, sức khỏe con người, và sản phẩm có màu sắc trong tự nhiên.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04275-4

Locus pNL3.1 và tính chống chịu mặn của cây lúa ở giai đoạn nẩy mầm

Nguồn: Chengfang Zhan, Peiwen Zhu, Yongji Chen, Xinyi Chen, Kexin Liu, Shanshan Chen, Jiaxiao Hu, Ying He, Ting Xie, Shasha Luo, Zeyuan Yang, Sunlu Chen, Haijuan Tang, Hongsheng Zhang & Jinping Cheng. 2023. Identification of a key locus, qNL3.1, associated with seed germination under salt stress via a genome-wide association study in rice. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 58 (2023)

Published: 13 March 2023

Hai gen chủ lực OsTTL và OsSAPK1 tại locus qNL3.1 gắn liền với sự nẩy mầm hạt lúa trong nghiệm thức xử lý stress mặn đã được xác định thông qua kết quả GWAS (genome-wide association study).

Lúa là cây trồng nhạy cảm với stress mặn, và sự nẩy mầm hạt xác định tình trạng cây mạ sau đó  dẫn đến kết quả cuối cùng là năng suất. Trong nghiên cứu này, người ta sử dụng 168 mẫu giống lúa để nghiên cứu cơ sở di truyền tính chống chịu mặn ở giai đoạn lúa nẩy mầm trên cơ sở thông số GR (tỷ lệ nẩy mầm), GI (germination index), thời gian nẩy mầm được 50% (T₅₀) và ML (mean level). Biến dị tự nhiên về nẩy mầm hạt được quan sát trong tập đoàn giống lúa này, xử lý stress mặn. Phân tích tương quan cho thấy hệ số tương quan có ý nghĩa giữa GR, GI và ML; tương quan nghịch với T₅₀ trong suốt thời kỳ hạt nẩy mầm, điều kiện stress mặn. Có 49 loci gắn kết có có ý nghĩa với hạt nẩy mầm trong điều kiện stress mặn, có 7 loci trong số đó được phân lập trong 2 năm. Bằng kết quả so sánh, có 16 loci định vị cùng một nơi với những QTLs được công bố trước đây, số 33 loci còn lại có thể là loci mới. qNL3.1, định vị cùng nơi với qLTG-3, được xác định cùng lúc ấy với 4 indices trong 2 năm. Đây có thể là locus chủ chốt đối với nẩy mầm hạt khi bị stress mặn. Kết qủa phân tích gen ứng cử viên cho thấy có 2 gen, giống với gen OsTTL mã hóa transthyretin-like protein  và gen OsSAPK1 mã hóa serine/threonine protein kinase. Người ta gọi đó là “causal genes” của qNL3.1. Xét nghiệm hạt nẩy mầm cho thấy cả hai đột biến Osttl và Ossapk1 đã làm giảm đáng kể nẩy mầm hạt trong điều kiện stress mặn so với cây lúa nguyên thủy (wild type). Kết quả phân tích haplotype cho thấy: Hap.1 của gen OsTTL và Hap.1 của gen OsSAPK1 là những alen tốt nhất, với tỷ lệ nẩy mầm cao trong điều kiện bị stress mặn. Tám mẫu giống với tính trạng ưu việt của nẩy mầm trong điều kiện stress mặn được phân lập, chúng có thể dùng làm vật liệu lai cho cải tiến giống lúa nẩy mầm tốt, khi bị stress mặn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04252-x

Hình: GWAS đối với tính trạng GR, GI, T₅₀ và ML lúa loại hình indica. Manhattan plots của năm 2015 (trái) và 2017 (phải). Đường chỉ đỏ là ngưỡng có ý nghĩa thống kê P < 1 × 10^–5. Mũi tiên biểu tượng của loci tìm thấy trong 2 năm.