Cây chủ kích thích làm câm gen như một regulator của G protein – gen mã hóa VdRGS1, giúp cây bông vải kháng bệnh Verticillium

Công trình nghiên cứu của Jun Xu và ctv. được công bố trên tạp chí Plant Biotechnology Journal (2018) 16, pp. 1629–1643 đã ghi nhận sự kiện bông vải kháng bệnh héo khô. Bệnh “Verticillium wilt” (VW), do nấm ký sinh ở trong đất, thuộc chi Verticillium, một bệnh gây hại khá nặng nề trên diện rộng và là thách thức cho ngành trồng bông trên toàn thế giới. Bông vải (Gossypium hirsutum) là cây trồng cho sợi và hạt cho dầu. Đối với bệnh VW, có rất ít giống kháng trong ngân hàng gen cây bông vải. Phần lớn các công trình nghiên cứu tập trung vào phân tử RNA can thiệp (RNAi) của cây chủ kích hoạt làm câm gen viết tắt là HIGS (host-based gene silencing). Đây là chiến lược nghiên cứu khá thành công để cải tiến tính kháng của cây bông với pathogens thông qua việc làm câm gen cần thiết cho phát sinh bệnh hại (pathogenicity) của những pathogens. Nhóm tác giả nghiên cứu này đã xác định được những phân tử “regulators” có đa chức năng có trong “G protein” – sự kiện truyền tín hiệu (RGS) trong nấm Verticillium dahlia với chủng nòi có độc tính cao là Vd8. Một trong tám gen VdRGS, đó là gen VdRGS1 biểu hiện có sự gia tăng đáng kể nhất trong nấm V. dahlia sau khi bị xử lý rễ ở giai đoạn cây con. Trên cơ sở kiểu hình ghi nhận được của sự mất đoạn trong gen VdRGS1 và những đột biến bổ sung, người ta thấy rằng VdRGS1 có chức năng quan trọng trong việc sản sinh ra bào tử của nấm, phát triển khuẩn ty, hình thành vi hạch khuẩn (microsclerotia) và phát sinh bệnh hại trên cây bông vải. Thực hiện HIGS thông qua “Rattle virus” của cây thuốc lá để chuyển vào cây bông những phân tử transcripts làm câm gen VdRGS1 của chủng nòi nấm V. dahlia và làm tăng cường phổ kháng bệnh kháng héo khô. Kết quả chứng minh rằng VdRGS1 là một gen mã hóa protein có tính bảo thu cao và là một gen cần thiết cho nấm  V. dahlia gây độc tính. Kỹ thuật HIGS làm câm gen đối với gen VdRGS1 là biện soát kiểm soát rất hiệu quả với nấm V. dahlia.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.12900  

Tạo ra giống bắp bất dục không có “transgene” bằng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9

Nguồn: Chen R, Xu Q, Liu Y, Zhang J, Ren D, Wang G, Liu YJ. 2018. Generation of Transgene-Free Maize Male Sterile Lines Using the CRISPR/Cas9 System. Front. Plant Sci., 07 September 2018 | https://doi.org/10.3389/fpls.2018.01180

Bất dục đực (MS) là nội hàm quan trọng trong sản xuất hạt bắp ưu thế lai F1, kết hợp với cường lực lai. Người ta cần tạo ra dòng đột biến mới bất dục đực để phát triển hạt bắp lai trong công nghệ hạt giống. Công nghệ CRISPR/Cas9 đáp ứng rất tốt yêu cầu xác định đích đến của hệ gen cây bắp nhằm tạo do dòng đột biến có chủ đích về bất dục đực. Người ta tổng hợp nhân tạo  gen “Streptococcus pyogenes Cas9” với những codons có tính chất lệch nhau (biased codons) của hệ gen cây bắp. Thiết kế vec tơ CRISPR/Cas9 nhằm đích đến là gen MS8 rồi chuyển nạp nó vào giống bắp mong muốn thông qua vi khuẩn Agrobacterium. Tám dòng T₀ được thu thập. Kết quả chạy trình tự gen MS8 trong những cây T₀ này cho thấy không có đột biến. Tuy nhiên, người ta phát hiện đột biến gen MS8 trong thế hệ F₁ và F₂ của dòng transgenic H17. Một trình tự có đột biến không mong muốn mà một nucleotide đơn khác biệt hẳn với trình tự gốc cũng xảy ra trong thế hệ F₂ của cây transgenic H17. Đột biến của gen MS8 và kiểu hình bất dục đực có thể khá ổn định về mặt di truyền ở thế hệ sau đó theo định luật Mendel. cây bất dục đực không có transgene ms8 được thu thập thông qua thanh lọc ở thế hệ F₂ những cây bất dục đực, và kiểu hình MS có thể được du nhập vào dòng ưu việt nào đó, cận giao, để phục vụ cho việc sản xuất hạt bắp lai.

Xem    https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2018.01180/full

Hình Xác định gen đích MS8 cây bất dục đực F₂ . (A) Sơ đồ cấu trúc gen MS8 và vị trí “đích”; bốn exons được đánh số; PAM motif là chữ có gạch đít màu đỏ. (B) Giản đồ chạy trình tự DNA  của MS8 trong dòng bắp cận giao B73, cây đột biến ms8-DelG/ms8-DelG, và ms8-InA/ms8-InA. Dòng T₀ của cây H17 được lai với dòng cận giao Zong31 để sản xuất ra thế hệ F₁, rồi tự thụ để cho ra thế hệ F₂ . Vùng kế cận của đoạn phân tử vị trí đích được khuếch đại bởi PCR trên dây nền DNA của cây F₂ bất dục đực, sản phẩm PCR được giải trình tự DNA trực tiếp.

Phytohormones: ngôn ngữ hóa học của hệ thống gây bệnh giữa Magnaporthe oryzae và cây lúa

Nguồn: Zhang S, Deng YZ, Zhang LH. 2018. Phytohormones: the chemical language in Magnaporthe oryzae-rice pathosystem. Mycology. 2018 Jun 12;9(3):233-237. doi: 10.1080/21501203.2018.1483441. eCollection 2018.

Phytohormones (còn có tên là plant hormones) là những chất hóa học được cây sản sinh ra nhằm điều hòa nhiều khía cạnh khác nhau trong phát triển thực vật, phản ứng với stress và hệ thống tự vệ. Những nghiên cứu gần đây cho thấy nấm bệnh cũng có thể sản sinh ra phytohormones hoặc phân tử phytohormone-mimiking, trong khi đó, người ta vẫn còn chưa biết nhiều về chi tiết liên quan đến vai trò và cơ chế điều tiết ấy của nấm, sản sinh ra phân tử phytohormone trên cơ sở tương tác giữa ký sinh và ký chủ. Nấm gây bệnh đạo ôn Magnaporthe oryzae là mối đe dọa cho ngành trồng lúa trên toàn thế giới. người ta tiến hành nghiên cứu có chiều sâu về phát sinh bệnh của nấm M. oryzae tương tác với cây lúa (Oryza sativa L.) theo một cơ chế tự vệ ra sao để chống lại bệnh này. Mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng một cơ sở lý thuyết và/hoặc xác định những chiến lược mới bảo vệ cây lúa, cũng như cải tiến giống lúa kháng bệnh. Phytohormones được chứng minh là có chức năng bảo tồn và đa dạng trong điều tiết “bật-mở” công tắc sinh học, giữa cân bằng giữa tăng trưởng cây lúa và tính miễn nhiễm đối với nấm hại M. oryzae. Nấm  M. oryzae có chiến lược tiến hóa (đồng tiến hóa giữa ký chủ và ký sinh) để thao tác trên những cơ chế tạo ra phytohormones của cây lúa, hoặc sản xuất trực tiếp hay bài tiết ra những phytohormones, trong suốt quá trình xâm nhiễm của nấm. Trong bài tổng quan này, người ta thảo luận một thông tin hóa học theo thuật ngữ “phytohormones” của hệ thống lây bệnh giữa nấm M. oryzae và cây lúa.

Xem  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30181929

Thực hiện “footprinting” trong methyl hóa DNA để tìm hiểu quá trình thuần hóa cây đậu nành và cải tiến giống.

Nguồn: Shen Y, Zhang J, Liu Y, Liu S, Liu Z, Duan Z, Wang Z, Zhu B, Guo YL, Tian Z. 2018. DNA methylation footprints during soybean domestication and improvement. Genome Biol. 2018 Sep 10;19(1):128. doi: 10.1186/s13059-018-1516-z.

Bên cạnh biến dị di truyền, di truyền biểu sinh (epigenetics) cũng tạo những biến dị và ngày càng có vai trò quan trọng trong xác định những tiến trình rất khác nhau của sinh học. Tính chất quan trọng của biến dị di truyền trong tự nhiên đối với sự thuần hóa thành giống trồng trọt của nhiều loài cây trồng, và sự cải tiến giống mới đã và đang được nghiên cứu rất mạnh mẽ. Tuy nhiên, sự đóng góp của biến dị di truyền biểu sinh (epigenetic variation) của cây trồng ở mức độ quần thể có qui mô lớn vẫn còn chưa được khai thác. Muốn hiểu được tác động của “epigenetics” đối với sự thuần hóa giống cây trồng, người ta tiến hành nghiên cứu biến dị của sự methyl hóa phân tử DNA trong suốt quá trình thần hóa chúng, và cải tiến giống đậu nành mới. Họ thực hiện kỹ thuật chạy trình tự có tên chuyên môn là “whole-genome bisulfite sequencing” của 45 mẫu giống đậu nành, bao gồm mẫu đậu nành hoang dại, mẫu đậu nành bản địa, và giống đậu nành sản xuất. Thông qua phân tích methylomic, họ xác định 5412 vùng bị methyl hóa rất khác nhau - vùng DMRs (differentially methylated regions). Những DMRs này biểu hiện ra những tính trạng khác nhau gắn liền với vùng được chọn lọc về mặt di truyền. Đặc biệt là họ đã chứng minh đa dạng di truyền mức độ cao. Phân tích theo kỹ thuật “association” cho thấy chỉ có 22.54% vùng DMRs có thể được giải thích bằng biến dị di truyền tại chổ. Đáng ngạc nhiên là, những gen trong vùng DMRs không phối hợp với bất cứ biến dị di truyền nào, rất phong phú trong các chu trình biến dưỡng carbohydrate. Như vậy, nghiên cứu đã cung cấp một bản đồ đáng giá về sự methyl hóa DNA thông qua nhiều mẫu giống đa dạng và khảo sát tỉ mỉ mối tương quan giữa biến dị  “DNA methylation” và biến dị di truyền trong quá trình đậu nành được thuần hóa, từ đó, mở rộng những hiểu biết của chúng ta về sự thuần hóa giống đầu nành và cải tiến giống.

Xem  https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30201012

Hình 1: Thông tin về mẫu giống đậu nành và “methylation sequencing”. a Sự phân bố về địa lý và cây gia hệ của 45 trình tự DNA của các mẫu giống đậu nành. b Tóm lược về “whole-genome bisulfite sequencing”. Số liệu thống kê cho mỗi “reads pairs” là tổng số của tất cả mẫu giống đậu nành được giải trình tự, số liệu thống kê cho “genome coverage” và “depth” là giá trị trung bình của tất cả mẫu giống được giải trình tự