Gen có liên quan đến chống chịu khô hạn của cây bông vải

Stress do khô hạn đe dọa nghiêm trọng đến năng suất bông vải, loài cây trồng quan trọng cho công nghiệp sợi. Do đó, việc phát triển dòng bông chống chịu khô hạn là mục tiêu chính trong cải tiến giống bông. Bản đồ QTL (quantitative trait loci) được phát triển thông qua các chỉ thị phân tử SSRs, RFLPs. Chỉ có một ít trong những QTLs này được xác minh rõ về chức năng của chúng. Các nhà khoa học Trung Quốc là Wangzhen Guo và ctv. thuộc Nanjing Agricultural University sử dụng chỉ thị SNP (single nucleotide polymorphisms), có biến dị di truyền phong phú nhất trong DNA của nhiều loài sinh vật, nhằm tìm ra markers liên quan đến khô hạn. Họ sử dụng “CottonSNP63K SNP array” để thanh lọc 719 mẫu giống bông vải (79 acc.) và áp dụng GWAS (genome-wide association study). Kết hợp kết quả của GWAS với RNA-seq và qRT-PCR, Người ta thấy có 4gen chủ lực rất quan trọng cho điều khiển chống chịu khô hạn. Đó là RD2 (phản ứng với protein “desiccation 2”), gen HAT22 (homeobox-leucine zipper protein), gen PIP2 (plasma membrane intrinsic protein 2), và gen PP2C (protein phosphatase 2C). Xem Frontiers in Plant Science.

Hình: Kiến trúc quần thể của 319 mẫu giống bông vải “upland”. (A) Hình cây Neighbor-joining của 319 mẫu giống bông vải. Giống trồng trọt màu xanh dương và giống bản địa màu vàng cam. (B) Phân nhóm PCA plots của các mẫu giống bông vải.

CRISPR-CAS9 – những phát hiện mới về MIRNAS trong cây lúa

Sự phát hiện ra nhiều hơn số phân tử microRNAs (miRNAs) và chức năng của chúng thường bị che khuất bởi những công cụ gây “knockout”. Hệ thống CRISPR-Cas9 đã giúp nhà nghiên cứu Jianping Zhou và ctv. thuộc “University of Electronic Science and Technology of China” trong xác định chức năng và sự điều hòa của những gen đơn miRNA và các học gen trong hệ gen cây lúa. Phân tử miRNAs là phân tử RNA nhỏ bè, không mang mật mã di truyền (small non-coding RNAs), rất qua trọng trong giai đoạn phát triển của thực vật và phản ứng với stress. Trong cây lúa, gen OsMIR408 và OsMIR528 có vai trò phản ứng với stress mặn và đồng. Áp dụng hệ thống “single and dual-target Cas9”, họ đã đánh dấu đích đến của những gen này và tìm thấy môi trường thích hợp có hiệu quả cao về chỉnh sửa gen (48 đến 89 %). Kết quả cho thấy phản ứng bị thay đổi trong những dòng đột biến, chứng minh được chức năng của gen khi cây lúa phản ứng với stresss sinh học và phi sinh học. Họ còn tìm thấy đột biến các gen như vậy làm thay đổi sự thể hiện của gen thuộc họ miRNAs khác. Sau cùng, họ đã chứng minh được sự hữu dụng của hệ thống CRISPR-Cas9 trong cải biên họ gen miRNA thông qua đánh dấu đích đến của gen OsMIR815 và OsMIR820. Xem Frontiers in Plant Science.

Kháng bệnh đốm vi khuẩn của cây cà chua nhờ sử dụng hệ thống CRISPR-CAS9

Phát triển giống cà chua kháng bệnh là một nội dung “trade-off” (cân bằng giữa hai trạng thái đối nghịch nhau) giữa pathogens là vi khuẩn gây hại trên tế bào sống (biotrophs) và vi khẩn ăn tế bào đã hoại tử (necrotrophs). Robert Solano và đồng nghiệp thuộc “Centro Nacional de Biotecnologia”, Tây Ban Nhađã sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 để tạo giống cà chua kháng bệnh vi khuẩn gây đốm lá, đốm trái cà chua (bacterial speck) mà không gắn với nội dung nhiễm trên mô hoại tử của nấm Botrytis cinerea, pathogen làm cà chua bị hiện tượng “gray mold” (mốc xám). Họ xác định đích đến là SlJAZ2, một gen đồng dạng với gen của cây Arabidopsis là AtJAZ2, ngăn ngừa khí khổng mở ra khi bị vi khuẩn xâm nhiễm bởi Pseudomonas syringae pv. tomato (Pto) DC3000, pathogen này gây bệnh “bacterial speck”. Cà chua được chỉnh sửa gen có nội dung ngăn ngừa sự mở khí khổng và kháng được vi khuẩn gây bệnh. Cùng lúc ấy, người ta đếm mức độ thoát hơi nước và tính kháng với nấm B. cinerea . Phương pháp này được đánh giá là rất hiệu quả trong nội dung sáng tạo ra tính kháng bệnh của cà chua. Xem Plant Biotechnology Journal.

Kiến trúc cây lúa được cải biên nhờ CRISPR-CAS9

Trong cuộc cách mạng xanh, kiểu hình cây thấp lùn là kiểu hình rất mong muốn của nhiều loài cây trồng, là nguyên nhân để có được năng suất cao. Do vậy, kiến trúc cây là tính trạng then chốt trong chương trình lai tạo giống mới. Các gen có liên quan đến kiến trúc cây được cải biên trong cây trồng thông qua đột biến không mong muốn (ngẫu nhiên) và thao tác chọn giống truyền thống. Trong nghiên cứu này, Haroon Butt và cộng sự thuộc “University of Science and Technology”, Saudi Arabia, đã sử dụng CRISPR-Cas9 để đột biến có chủ đích gen OsCCD7 trong hệ gen cây lúa nhằm khai thác sự tổng hợp “strigolactone” (SL) của cây. SL là một hormone thảo mộc qui định số chồi, số rễ chùm và rễ ngang, tham gia vào phản ứng chống chịu stress sinh học và phi sinh học, ví dụ như Striga. Kết quả sinh tổng hợp kém SL trong dòng đột biến OsCCD7 và Striga làm thấp hơn hoạt động nẩy mầm của hạt  seed so với cây nguyên thủy, điều ấy khẳng định vai trò của gen trong sinh tổng hợp SL. Xem BMC Plant Biology.

Hàng nghìn versions của gen “ung thư vú”được phân loại nhờ CRISPR-CAS9

Những versions mới của gen BRCA1, một gen thuộc nhóm “tumor suppressor” có trong bệnh ung thư vú, làm cho công tác quản lý bệnh thêm khó khăn. Những versions khác nhau của BRCA1 cần một xử lý rất đặc biệt (unique treatment). Một vài versions có tính chất gây bệnh (pathogenic), Còn lại ở trạng thái vô hại (neutral). Tuy nhiên, thông tin về những “BRCA1 versions” mới này rất hạn chế trong đại chúng, nhiều versions hơn được kỳ vọng là sẽ được tìm thấy trong bệnh nhân thông qua thời gian. Nhằm giúp đỡ công tác quản lý bệnh này, người ta cố gắng phân loại versions BRCA1  nào rủi ro cao (risky), versions BRCA1  nào trung tính (neutral). Lea Starita và ctv. thuộc “Brotman Baty Institute for Precision Medicine”, Hoa Kỳ, tìm thấy và phân loại gần 4.000 “BRCA1 variants” thông qua hệ thống CRISPR-Cas9. Họ làm ra 96,5% của tất cả versions có thể có thuộc 13 trình tự gen quan trọng nhất. Họ tìm thấy ~400 không có chức năng (non-functional) và ~300 versions gây bệnh. Họ nói rằng: nghiên cứu này chỉ mới bắt đầu phân nhóm theo chiều sâu các versions của trình tự khác BRCA1 và những gen khác có liên quan đến bệnh ung thư vú. Xem Nature.

Phân tích GWAS tính trạng quang hợp có liên quan đến hiệu quả sử dụng lân trong cây đậu nành

Nguồn: Lu H, Yang Y, Li H, Liu Q, Zhang J, Yin J, Chu S, Zhang X, Yu K, Li L, Chen X, Zhang D. 2018. Genome-Wide Association Studies of Photosynthetic Traits Related to Phosphorus Efficiency in Soybean. Front Plant Sci. 2018 Aug 28;9:1226. doi: 10.3389/fpls.2018.01226. eCollection 2018.

Quang tổng hợp là nền tảng của tăng trưởng và phát triển trong thực vật, chịu ảnh hưởng nghiêm trọng bởi stress thiếu lân. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu về cơ sở di truyền của phản ứng với quang hợp trong điều kiện thiếu lân như vậy trong cây đậu nành. Nhằm giải quyết vấn đề nêu trên, người ta tiến hành nghiên cứu 219 mẫu giống (acc.) đậu nành, đánh giá kiểu gen thông qua chỉ thị phân tử SNP với bộ 292.035 SNP, đánh giá kiểu hình trong hai nghiệm thức: bình thường và thiếu lân, năm 2015 và 2016. Cơ sở dữ liệu được sử dụng để xác định những QTNs (quantitative trait nucleotides) đối với những tính trạng có liên quan đến quang hợp, sử dụng phương pháp mrMLM, ISIS EM-BLASSO, pLARmEB, FASTmrMLM, FASTmrEMMA, và pKWmEB. Có 159 QTNs định vị trong 31 vùng của hệ gen đậu nành được tìm thấy kết hợp với bốn tính trạng liên quan đến quang hợp dưới điều kiện stress do thiếu lân. Trong 31 vùng ấy, 5 loci (q7-2, q8-1, q9, q13-1, và q20-2) được phát hiện khá phổ biến dưới điều kiện có lân bình thường và thiếu lân, cho thấy tính chất ít nhạy cảm của những gen ứng cử viên này đối với stress thiếu lân; 5 loci được phát hiện chỉ có thể hiện khi điều kiện lân bình thường, cho thấy tính nhạy cảm của những gen ứng cử viên này đối với stress thiếu lân; 6 loci được phát hiện chỉ có thể hiện khi thiếu lân, cho thấy tính chống chịu của những gen ứng cử viến ấy với stress thiếu lân; 20 loci được báo cáo trước đó rồi. Khoảng 159 QTNs, 52 gen ứng cử viên được phát hiện trong hệ gen (allele mining). Như vậy, thông tin quan trọng này sẽ phục vụ cho chọn giống đậu nành nhờ chỉ thị phân tử, trên cơ sởứng dụng tính chống chịu thiếu lân khi cây đậu có tiềm năng về hiệu quả quang hợp.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/30210514

Hình: Nhiễm sắc thể của đậu nành và QTLs đối với những tính trạng nghiên cứu, dưới các điều kiện khác nhau về lân. Bên trong và bên ngoài vòng tròn cho thấy ở giá trị LOD/ r2 . Biểu hiện của 20 nhiễm sắc thể trong hệ gen cây đậu nành; QTLs của các tính trạng nghiên cứu dưới những điều kiện lân khác nhau.