Nghiên cứu hệ protein về tương tác giữa cây lúa và nấm gây bệnh đạo ôn

Nguồn: Meng Q, Gupta R, Min CW, Kwon SW, Wang Y, Je BI, Kim YJ, Jeon JS, Agrawal GK, Rakwal R, Kim ST. 2019. Proteomics of Rice - Magnaporthe oryzae Interaction: What Have We Learned So Far? Front Plant Sci. 2019 Oct 29;10:1383. doi: 10.3389/fpls.2019.01383.

Bệnh đạo ôn lúa do nấm Magnaporthe oryzae gây ra là một trong những yếu tố giới hạn chính đối với năng suất lúa trên toàn thế giới. Những công nghệ có tính chất proteomic đã và đang được người ta áp dụng như công cụ hữu ích trong nghiên cứu tương tác giữa ký chủ và ký sinh thông qua các chu trình sinh học có trong sự lâu nhiễm phát sinh bệnh của pathogen, phản ứng của cây chủ, diễn biện của bệnh. Tiến bô kỹ thuật sắc ký khối phổ (MS) và các phương pháp định tính apoplastic, xác định protein của màng plasma đã giúp cho việc định tính và định lượng dễ dàng hơn ở mức độ hệ protein (proteome) các cơ quan trong tế bào trong suốt giai đoạn tương tác ký sinh và ký chủ xảy ra. Nghiên cứu proteomic được thực hiện khi tương tác giữa cây lúa và nấm M. oryzae bắt đầu dẫn đến kết quả xác định được nhiều proteins nổi bật trong nhận biết pathogen của tế bào, sự truyền tín hiệu, và sự điều chỉnh hoạt động biến dưỡng giúp cây lúa ngăn ngừa bệnh đạo ôn diễn biến thêm. Một vài protein trong số ấy bao gồm RLKs (receptor-like kinases), MAPKs (mitogen-activated protein kinases), và những proteins có liên quan đến truyền tín hiệu và xử lý ROS (reactive oxygen species), truyền tín hiệu hormone, quang tổng hợp, biến dưỡng thứ cấp, thoái hóa protein, và nhiều phản ứng tự vệ khác nữa. Hiện tượng cải biên hậu giải mã PTMs (post-translational modifications), ví dụ như phosphoproteomics và ubiquitin proteomics, trong tương tác giữa cây lúa và nấm M. oryzae cũng được tóm lược trong bài tổng quan này. Về bản chất, nghiên cứu proteomic được thực hiện cho đến nay đã phác họa ra được những cơ chế phân tử của tương tác giữa cây lúa và nấm M. oryzae. Nó cung cấp cho chúng ta những proteins ứng cử viên phục vụ cho cải tiến giống lúa kháng bệnh đạo ôn.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31737011

Hình: Chu trình truyền tín hiệu đối với sự xâm nhiễm của nấm M. oryzae. (A) Hai protein đóng vai trò receptor là  (receptor-like kinase: RLK): CERK1 và CEBiP, ghi nhận chitin PAMPs (pathogen-activated molecular patterns), để kích hoạt PTI của cây lúa (PAMP-triggered immunity). (B) Protein đóng vai trò receptors PRRs chưa biết, đã ghi nhận PAMP MSP1 và MoHrip1, theo thứ tự. (C) Trong tương tác giữa cây lúa và M. oryzae, các mô phỏng ghi nhận giữa Avr effectors và R proteins được xác định.

Phân tích GWAS gen NLR điều khiển tính kháng đạo ôn không hoàn toàn

Nguồn: Liu MH, Kang H, Xu Y, Peng Y, Wang D, Gao L, Wang X, Ning Y, Wu J, Liu W, Li C, Liu B, Wang GL.

 2019. Genome-wide association study identifies an NLR gene that confers partial resistance to Magnaporthe oryzae in rice. Plant Biotechnol J. 2019 Nov 19. doi: 10.1111/pbi.13300.

Gen kháng bệnh đạo ôn thường bị phá v, đặc biệt là gen kháng chủ lực R, do đó, người ta có xu hướng theo chiến lược xác định gen R kháng không hoàn toàn (new partial R genes) với bệnh đạo ôn lúa như một mục tiêu chính trong cải tiến giống lúa kháng bệnh. Trong nghiên cứu này, người ta sử dụng một tập đoàn giống lúa cơ bản (core collection) thuộc “Rice Diversity Panel II” (C-RDP-II), bao gồm 584 mẫu giống lúa. Người ta đánh giá kiểu gen thông qua 700,000 chỉ thị SNPs (single-nucleotide polymorphism). Các mẫu giống lúa C-RDP-II được chủng bệnh với ba chủng nòi (strains) khác nhau thu thập từ nhiều vùng trồng lúa của Trung Quốc. Kết quả chạy GWAS (Genome-wide association study) đã xác định được 27 loci liên quan đến tính kháng bệnh đạo ôn  (LABRs). Trong đó, 22 LABRs không liên quan gì đến bất cứ gen R được biết trước đây hoặc QTLs được biết. Rất thú vị là một chùm gen mã hóa NLR (nucleotide-binding site leucine-rich repeat) có trong vùng LABR12 định vị trên nhiễm sắc thể số 4 được quan sát. Một trong những gen NLR như vậy có tính bảo thủ rất cao đối với bản chất giống lúa kháng không hoàn toàn (partially resistant), nó thể hiện theo cơ chế điều tiết kiểu UP ở giai đoạn đầu tiên khi nấm xâm nhiễm vào cây lúa. Knockout gen đích này bằng kỹ thuật CRISPR-Cas9 dẫn đến kết quả cây lúa  transgenic làm giảm tính kháng không hoàn toàn đối với bốn chủng nòi nấm đạo ôn. Việc xác định gen R kháng không hoàn toàn khá mới mẽ này mang tính chất không đặc thù với nòi nấm nào cả, được gọi tạm thời với thuật ngữ “rice blast Partial Resistance gene 1” (PiPR1), cung cấp nguồn vật liệu di truyền sẽ vô cùng có ích để người ta hiểu thêm về cơ chế kháng không hoàn toàn, kháng từng phần, giúp nhà chọn giống cải tiến giống kháng đạo ôn bền vững hơn.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31742855

Nghiên cứu tính kháng Fusarium của hành tây

Nguồn: Andrew Taylor, Graham R. Teakle, Peter G. Walley, William E. Finch-Savage, Alison C. Jackson, Julie E. Jones, Paul Hand, Brian Thomas, Michael J. Havey, David A. C. Pink, John P. Clarkson. 2019. Assembly and characterisation of a unique onion diversity set identifies resistance to Fusarium basal rot and improved seedling vigour.

Theoretical and Applied Genetics; December 2019, Volume 132, Issue 12, pp 3245–3264.

Đa dạng hành tây có tính chất toàn cầu và tính chất độc đáo đã được thu thập thành ngân hàng gen, được đánh giá kiểu gen, được đánh giá kiểu hình đối với những tính trạng nông học có lợi. Các mẫu giống hành tây kháng mạnh đối với bệnh thối củ (basal rot) kết hợp với cường lực cây con mạnh đã được xác định nhờ những chỉ thị phân tử liên kết chặt và có ý nghĩa. Bảo tồn tính đa dạng cây hành tây có tầm cỡ quan trọng toàn thế giới này là mục tiêu cho sản xuất cây trồng tương lai. Hành tây (Allium cepa L.) là loài cây trồng có giá trị kinh tế quan trọng toàn cầu. Nó có hệ gen khá lớn đạt kích thước 16 Gb trên một nhiễm sắc thể (1C). Hệ gen của nó chưa được giải trình tự hoàn chỉnh. Mặc dù hành tây là cây tự thụ phấn, nhưng nó không chịu đựng nổi suy thoái do cận giao cực đoan (inbreeding depression); nó cần con lai ở trạng thái dị hợp tử để đạt giá trị ưu thế lai thông qua lai chéo (out-crossing). Củ hành tây (thân hành: bulb) được hình thành nhờ ngày dài, các mẫu giống hành tây thích nghi đặc biệt với quang kỳ của từng địa phương khác nhau. Hạt giống hành tây được gieo trực tiếp xuống ruộng, do vậy, sự phát triển cây non mạnh hay yếu là yếu tố thành bại trong sản xuất hành tây. Hơn nữa, năng suất hành tây thất thu trên thế giới thường do bệnh thối rễ củ do nấm Fusarium oxysporum f. sp. cepae. Một tập đoàn giống hành tây đa dạng ở mức độ toàn câu, bao gồm 10 họ “half-sib” có nguồn gốc từ 95 mẫu giống của ngân hàng gen nói trên, được thử nghiệm với nhau và được đánh giá kiểu gen liên kết với 892 chỉ thị phân tử đa hình SNP. Người ta quan sát thấy có 30-35% cây ở mức độ dị hợp tử trung bình, phản ứng bản chất lai xa tự nhiên (outbreeding nature) của loài cây trồng này. Sử dụng di truyền huyết thống để phân tích,  người ta ghi nhận cấu trúc quần thể  và các thành phần cấu tạo nên (principal component analyses), hầu hết các mẫu giống được xếp nhóm di truyền trên cơ sở độ dài ngày. Sự đa dạng có tính chất trong cùng nhóm khá cao (intra-accession diversity), nhưng thấp hơn mức độ đa dạng di truyền có tính chất giữa những nhóm với nhau (inter-accession diversity). Mẫu giống hành tây kháng mạnh với Fusarium và cường lực cây non mạnh đã được phân lập cẩn thận nhờ các chỉ thị phân tử liên kết tốt, khẳng định tính chất hữu dụng của đa dạng di truyền của tập đoàn vật liệu bố mẹ đối với những tính trạng nông học có lợi. Tập đoàn hành tây có đa dạng di truyền cao như vậy và cơ sở dữ liệu tính trạng liên quan sẽ cung cấp cho nhà chọn giống nguồn tư liệu quý phục vụ cho công tác chọn tạo giống hành tây tương lai.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03422-0

Nghiên cứu dòng bắp đơn bội kép

Nguồn: Vijay Chaikam, Willem Molenaar, Albrecht E. Melchinger, Prasanna M. Boddupalli. 2019. Doubled haploid technology for line development in maize: technical advances and prospects. Theoretical and Applied Genetics; December 2019, Volume 132, Issue 12, pp 3227–3243

Hiệu quả tích cực của dòng đơn bội kép trong chọn tạo giống bắp mới đã được ghi nhận. Đơn bội kép (DH: Doubled haploid) là kỹ thuật đã và đang được ứng dụng trong các chương trình lai tạo giống thương mại với hiệu quả kinh tế rất tốt, cũng như những tiện ích về logistic và di truyền học do với dòng bắp cận giao kinh điển. Hơn nữa, những tiến bộ kỹ thuật mới về DH đang tiếp tục cải thiện hiệu quả phát triển dòng DH và thu hút nguồn lực nguồn đầu tư trong các chương trình cải tiến giống toàn cầu. Phương pháp áp dụng ở đây để tạo ra dòng bắp đơn bội kép là kích thích in vivo đơn bội thể của dòng mẹ bởi giống “inducer” đơn bội dòng bố, xác định những “haploids” từ “diploids” trong hạt hoặc trong cây non, làm tăng gấp đôi nhiễm sắc thể của dòng haploid (D₀) trong cây non, cho tự thụ cây D₀ có khả năng thụ tinh. Phát triển những dòng “haploid inducers” với tỷ lệ kích thích ra đơn bội cao, rồi cho thích nghi với những điều kiện ngoại cảnh khác nhau, tạo nên hiệu ứng gia tăng việc ứng dụng công nghệ DH này tại các nước nhiệt đới. Hệ thống chỉ thị mới đối với yêu cầu xác định đơn bội, ví dụ như chỉ thị rễ có màu đỏ và chỉ thị hàm lượng dầu cao, đang được tích hợp vào những dòng “haploid inducers” mới và có khả năng làm cho công nghệ DH tiếp cận với nhóm bắp răng ngựa (Flint), bắp bản địa, hoặc bắp địa phương có nguồn gốc nhiệt đới, nơi mà “R1-nj marker” chuẩn rất hạn chế. Triển vọng lớn của công nghệ này là giảm giá thành và giảm thời gian trong khi xác định haploid. Thành công ngày càng gia tăng nhờ quy trình tăng gấp đôi số nhiễm sắc thể được cải tiến hoặc/và giảm thiểu được can thiệp bất lợi do con người và môi trường vào quy trình “chromosome doubling” như vậy, bao gồm nội dung nghiên cứu cải tiến di truyền khi “chromosome doubling” một cách ngẫu nhiên, từ đó, nó chỉ ra một tiềm năng làm giảm thiểu rất lớn giá thành sản xuất dòng DH.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03433-x

Chỉnh sửa gen trong phát triển Lúa Vàng

Chỉnh sửa gen hoặc hệ gen có thể được xem là cách tiếp cận để cải tiến hàm lượng vitamin A của cây trồng, theo kết quả nghiên cứu của Akira Endo và cộng sự tại “National Agriculture and Food Research Organization and Ishikawa Prefectural University”, Nhật Bản. Kết quả này được công bố trên tạp chí khoa học Rice. Beta-carotene, một tiền chất của vitamin A, một đối tượng rất thu hút trong chiến lược “biofortification” nhờ cây trồng (chữa bệnh nhờ ăn sản phẩm cây trồng) đối với vấn đề khiếm dưỡng vitamin A cho người dân tại các nước đang phát triển. Theo nghiên cứu trước đó, người ta ghi nhận sự thể hiện mạnh của những biến thể trong “splicing” (giai đoạn nối các exon và loại thải intron khi phiên mã) của gen Orange (Or) điều khiển sự tích lũy hàm lượng beta-carotene trong bông cải (cauliflower curd). Theo Endo và nhóm nghiên cứu của ông, họ tập trung vào gen Orange  (Osor) của cây lúa và trắc nghiệm sự gia tăng của beta-carotene trong mô sẹo lúa, sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9. Hung mô sẹo chuyển nạp gen chỉnh sửa chuyển thành màu cam (orange), chỉ ra rằng một sự tích tụ cực kỳ nhạy (hyper-accumulation) hàm lượng beta-carotene. Phân tích ở mức độ phân tử cho thấy những mô sẹo có màu vàng cam ấy là do sản phẩm rất thừa thải của những phân tử transcript Osor, đột biến có chủ đích,  trong khi đó những đột biến không chủ đích (out-of-frame mutation) không biểu thị màu vàng cam. Theo công trình nghiên cứu này, họ kết luận rằng cải biến trực tiếp gen Osor nhờ hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 dẫn đến làm tăng cường beta-carotene trong mô sẹo cây lúa. Đây là phương pháp tiếp cận đáng chú ý trong cải biên giống lúa giàu vitamin A.

Xem tạp chí Rice. https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-019-0345-3