Kiến trúc di truyền về biến thiên hình dạng và kích thước dưa leo

Nguồn: Yupeng Pan, Yuhui Wang, Cecilia McGregor, Shi Liu, Feishi Luan, Meiling Gao & Yiqun Weng. 2020. Genetic architecture of fruit size and shape variation in cucurbits: a comparative perspective. Theoretical and Applied Genetics volume 133, pages 1–21(January 2020)

Họ Cucurbitaceae có nhiều loài dưa với giá trị kinh tế cao và quan trọng trong thực phẩm con người: ví dụ như dưa leo, dưa gang, dưa hấu, bí đỏ, dưa squash, và các loài bầu bí khác (gọi chung là “cucurbits”). Các loài cucurbits có thể được hiểu biết nhiều nhất về tính đa dạng vô cùng đối với kích thước trái và hình dạng trái, nhưng người ta biết rất ít về cơ sở di truyền của chúng cũng như sự điều tiết ở qui mô phân tử ra làm sao. Công trình khoa học này chỉ ra rằng kích thước trái (fruit size: FS), dạng trái (shape: FSI), và khối lượng trái (fruit weight: FW) là những tính trạng số lượng do QTL điều khiển trong dưa leo, dưa gang,  và dưa hấu, từ 150 QTL giả định đối với các tính trạng ấy. Thực hiện điều tra tổng thể hệ gen (genome-wide survey) 3 genomes nói trên, người ta xác định 253 thể đồng dạng (homologs) của 8 lớp gen liên quan đến tính trạng trái dưa (kích thước, hình dạng, khối lượng). các gen này được dòng hóa vào cây Arabidopsis, cà chua, và lúa, chúng mã hóa domain của những proteins có đặc điểm CNR (điều tiết số tế bào: cell number regulator), CSR (điều tiết kích thước tế bào: cell size regulator), CYP78A (cytochrome P450), SUN, OVATE, TRM (TONNEAU1 Recruiting Motif), YABBY, và WOX. So sánh hệ tham chiếu với QTL giả định  trên cơ sở QTL ứng cử viên, các thể gen đồng dạng (gene homologs) cho thấy: cấu trúc có tính chất khá rộng và chức năng được bảo tồn mạnh mẽ về kích thước và dạng trái (các gene homologs trong cucurbits), các gen ứng cử viên điều khiển kích thước trái / dạng trái là CsSUN25-26-27a và CsTRM5 trong hệ gen cây dưa leo, CmOFP1a trong cây dưa gang, và ClSUN25-26-27a trong cây dưa hấu. Nói chung các loài cucurbits, gen andromonoecy (mã hóa 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase) và gen carpel number (mã hóa CLAVATA3), các loci được biết có tính chất di truyền “gen đa tính trạng” (pleiotropic) về dạng hình trái, làm cho việc phân lập gen rất phức tạp đối với gen ứng cử viên điều khiển kích thước/dạng trái trong những vùng chứa các loci ấy. Kết quả minh chứng phương pháp phân tích hiệu quả trong hiểu biết kiến trúc di truyền về những biến thiên về kích thước/dạng trái, làm dễ dàng cho thực hiện “QTL mapping” và dòng hóa gen điều khiển tính trạng kích thước trái của cucurbits.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03481-3

Phân tích phản ứng của phiên mã trong hệ gen đậu nành đối với tuyến trùng gây sưng rễ

Nguồn: Esmaeil Miraeiz, Usawadee Chaiprom, Alireza Afsharifar, Akbar Karegar, Jenny M. Drnevich & Matthew E. Hudson. 2020. Early transcriptional responses to soybean cyst nematode HG Type 0 show genetic differences among resistant and susceptible soybeans.

Hệ transcriptome ở rễ được chạy “profiling” trong 3 giống đậu nành và một quần thể hoang dại có quan hệ di truyền gần gủi, đối với sự xâm nhiễm của tuyến trùng sưng rễ ơ pha “migratory” cho thấy tính kháng biểu hiện khác nhau giữa giống kháng và giống nhiễm. Tuyến trùng gây sưng rễ đậu nành (SCN: soybean cyst nematode, có tên khoa học là Heterodera glycines, đây là đối tượng ag6y hại nghiêm trọng sản xuất đậu nành trên toàn thế giới. Sử dụng giống kháng là chiến lược quản lý tuyến trùng quan trọng chống lại sự phá hại của SCN. Muốn có được sự hiểu biết cặn kẽ về cơ chế di truyền tính kháng; người ta thực hiện nghiên cứu trên nhiều giống đậu nành khác nhau, thực hiện “RNA-Seq profiling” vùng rễ đậu nành Glycine max cv. giống Peking, Fayette, Williams 82, và một quần thể đậu nành hoang dại (Glycine soja PI 468916). Đánh giá kiểu hình phản ứng cây chủ đối với xâm nhiễm của tuyến trùng tại pha “migratory” (di chuyển vào). Kết quả phân tích cho thấy những thay đổi đáng kể của sự thể hiện bắt đầu từ 8 giờ sau khi chủng tuyến trùng; gen liên quan đến cơ chế tự vệ của cây và diễn biến như thế nào, ví dụ chu trình sinh tổng hợp phenylpropanoid, miễn dịch tự nhiên của cây và sự triền tín hiệu hormone. Kết quả chỉ ra rằng tầm quan trọng của sự phản ứng sớm của cây chủ ơ pha migratory của tuyến trùng trong xác định tính chất phát sinh bệnh (pathogenicity). Thay đổi hệ transcriptome xảy ra ở giai đoạn sớm ấy của SCN tấn công cây chủ bao gồm một số gen thể hiện và các chu trình sinh học đặc biệt tùy theo giống đậu nành kháng tuyến trùng kah1c nhau. Người ta quan sát phản ứng kháng của hệ transcriptome linh hoạt nhất trong mẫu giống PI 468916, ở đó, phản ứng kháng khác về chất  so với các giống đậu nành chủ lực trong sản xuất đại trà G. max.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03442-w

Biểu hiện mạnh mẽ gen PbSPMS  của cây lê vào trong cây Arabidopsis thaliana

Nguồn: Xianghong Jiang, Junyu Zhan, Qi Wang, Xinyi Wu, Xiaonan Chen, Bing Jia, Pu Liu, Li Liu, Zhenfeng Ye, Liwu Zhu & Wei Heng . 2020. Overexpression of the pear PbSPMS gene in Arabidopsis thaliana increases resistance to abiotic stress. Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC) volume 140, pages389–401(2020)

Quả lê ‘Dangshansuli’ có màu vàng xanh, trong khi dòng đột biến của nó ‘Xiusu’ có màu nâu đó nhạt (russet). Sự thể hiện gen ở các mức độ khác nhau của PbSPMS, được sàng lọc di truyền thông qua biểu hiện của hệ thống transcriptomes đối với tính trạng màu võ trái lê ‘Dangshansuli’ và ‘Xiusu’. Muốn biết được vai trò của gen PbSPMS khi hình thành màu võ nâu đỏ nhạt từ giống ‘Xiusu’, người ta cho thể hiện gen PbSPMS trong võ trái ‘Dangshansuli’ và ‘Xiusu’ ở các giai đoạn phát triển khác nhau, rồi phân tích. Chức năng của gen PbSPMS trong sinh tổn hợp hợp chất gốc phenol và suberin, sự tích tụ polyamine (PA) trong cây mô hình Arabidopsis và những phản ứng đối với khô hạn, mặn cũng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy: vùng có liên quan trong bó mạch của cây Arabidopsis chuyển gen PbSPMS lớn hơn đáng kể so với gây nguyên thủy (WT: wild-type). Như vậy thành tế bào thứ cấp dầy lên trong mạch libe của cây Arabidopsis chuyển gen nhiều hơn so với cây nguyên thủy. Hàm lượng PAs, phenolics và suberin trong cây Arabidopsis chuyển gen PbSPMS lớn hơn cây nguyên thủy. Trong điều kiện bị stress khô hạn và mặn, sự du nhập gen PbSPMS làm cho dễ dàng hơn sự tích tụ nhanh spermidine (Spd) và spermine (Spm) trong quãng thời gian rất ngắn ở cây A. thaliana, hàm lượng của Spd và Spm lớn hơn rất đáng kể trong cây transgenic so với cây WT, chứng tỏ rằng PbSPMS đáp ứng với stress rất nhanh làm giảm đáng kể ảnh hưởng tiêu cực của stress. Hơn nữa, gen ngoại lai PbSPMS làm gia tăng hàm lượng proline (Pro), H₂O₂, peroxidase (POD) và đường hòa tan trong cây chuyển gen. Với thời gian stress được kéo dài thêm, hàm lượng của tất cả hợp chất nói trên sẽ tăng dần, stress càng dài, tính kháng hạng càng có ý nghĩa trong cây chuyển gen PbSPMS. Nhìn chung, kết quả chứng minh được rằng: PbSPMS góp phần vào sinh tổng hợp hợp chất phenol và suberin, tích tụ PA trong cây Arabidopsis và cải tiến tính chống chịu khô hạn và mặn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s11240-019-01735-y

Trắc nghiệm GMO trong cây lúa nhờ hệ thống CRISPR-Cas12a

Nguồn: Yun-mu Zhang, Ying Zhang & Kabin Xie. 2020.  Evaluation of CRISPR/Cas12a-based DNA detection for fast pathogen diagnosis and GMO test in rice. Molecular Breeding vol. 40, 11 (2020) 

Xét nghiệm DNA đã và đang được áp dụng phổ biến trong chẩn đoán bệnh cây trồng và xác định GMO trong nông nghiệp. Phương pháp xét nghiệm DNA nay tuy rẽ tiền, nhanh chóng, thân thiện môi trường vẫn còn nhiều hạn chế. Gần đây, người ta áp dụng phân tử RNA lập trình hóa đối với nuclease của hệ thống CRISPR/Cas được thao tác di truyền như một nucleic acid mới được khám phá, nhưng phần áp dụng cho cây trồng vẫn chưa phát triển như động vật. Theo kết quả nghiên cứu, người ta tiến hành đánh giá sự phát hiện dựa trên cơ sở Cas12a để biết được cây có bệnh hay không và trắc nghiệm GMO khá hiệu quả. Với tổng số 14 phân tử crRNAs được thiết kết đối với hai gen của nấm Magnaporthe oryzae và thiết kế một gen tổng hợp Cry1C mã hóa protein tinh thể Bacillus thuringiensis δ-endotoxin. Người ta sử dụng phương pháp phát triển các dòng lúa transgenic có gen kháng Bt (Bt-rice) tại Trung Quốc. Sử dụng “fluorescent reporter”, các gen đích đã được phát hiện khá dễ dàng bởi LbCas12a sau khi khuếch đại “recombinase polymerase” (RPA) đối với tất cả phân tử crRNAs, cho dù  lục truyền tín hiệu biến thiên gấp 2–3 lần giữa các phân tử crRNAs khác nhau. Người ta tiến hành kết hợp phương pháp tách chiết DNA “filter paper-based DNA extraction” và phương pháp xét nghiệm có tên là “lateral flow assay” (LFA) với hệ thống RPA-Cas12a để phát hiện DNA muốn tìm. Điều này làm tối ưu hóa kết quả chẩn đoán nhờ Cas12a thực hiện cả nhiệt độ cơ thể và không cần công cụ gì thêm ngoài “phương pháp filter paper” và “phương pháp LFA strip”. Kết quả cho thấy pathogen gây bệnh đạo ôn và lúa Bt được xác định rất thành công từ mẫu lá làm tối ưu phương pháp xét nghiệm DNA với phân tử crRNAs cực kỳ năng động. Hơn nữa, LbCas12a thể hiện hoạt tính của nuclease rất linh hoạt trên những mục tiêu khác nhau; phân tử crRNA cực kỳ năng động là chìa khóa dẫn đến thành công trong xét nghiệm DNA với hệ thống Cas12a và LFA.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s11032-019-1092-2