QTL điều khiển khuẩn AMF cộng sinh với đậu nành

Nguồn: Michelle L. Pawlowski, Tri D. Vuong, Babu Valliyodan, Henry T. Nguyen, Glen L. Hartman. 2020. Whole-genome resequencing identifies quantitative trait loci associated with mycorrhizal colonization of soybean. Theoretical and Applied Genetics; February 2020, 133 (2): 409–417.

Hình: Khuẩn AMF Rhizophagus intraradices

Bộ cơ sở dữ liệu chuỗi trình tự toàn bộ hệ gen trên cơ sở chỉ thị SNP (resequencing - derived SNP) xác định được sáu QTLs liên quan đáng kể đến sự ký sinh trên cây đậu nành của khuẩn có thuật ngữ chuyên môn là “arbuscular mycorrhizal fungus”, tên khoa học là Rhizophagus intraradices. Gen ứng cử viên được xác định trong vùng mục tiêu của những QTL ấy bao gồm các gen tương đồng (homologs) mã hóa protein thuộc họ “nodulin” đã được biết trước đây và những gen đặc biệt khác có chức năng cộng sinh (symbiosis-specific genes). Khuẩn AMF (arbuscular mycorrhizal fungi) hình thành mối liên kết với hơn 80% loài thực vật trên mặt đất và giúp cây chủ của mình bằng cách gia tăng hấp thu dinh dưỡng, chống chịu khô hạn, và giúp cây phục hồi lại sau khi bị sâu bệnh hại tấn công. Biến thiên di truyền của loài cây trồng đối với sự xâm thực của nấm AMF đã được xác định trong từng loài, đó là cây đậu nành; tuy nhiên, di truyền điều khiển mức độ xâm thực của nấm AMF trong cây đậu nành chưa được biết rõ. Mục tiêu nghiên cứu là xác định vùng chứa gen đích trong hệ gen cây đậu nành có liên quan đến sự xâm thực của nấm mycorrhizal bằng phương pháp GWAS. tập đoàn giống đậu nành bao gồm 350 giống nhập nội được chủng nấm Rhizophagus intraradices để đánh giá sự di thực của nấm trên rễ cây bằng phương pháp MGI (modified gridline intersect). Sự di thực của nấm trên vùng rễ cây đậu nành khác biệt có ý nghĩa (P < 0.001) giữa các giống, biến thiên 11 - 70%. Bộ cơ sở dữ liệu SNP (whole-genome resequencing-derived SNP) xác định có 6 QTLs liên quan rất chặt đối với sự di thực của nấm rễ R. intraradices, giải thích được 24% biến thiên kiểu hình. Hung gen ứng cử viên trong vùng QTL này bao gồm các “homologs” của họ protein “nodulin” và những gen chuyên biệt khác điều khiển sự cộng sinh.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03471-5

Di truyền tính chống chịu lạnh của bắp

Nguồn: Q. Yi, R. A. Malvar, L. Álvarez-Iglesias, B. Ordás & Pedro Revilla. 2020. Dissecting the genetics of cold tolerance in a multiparental maize population. Theoretical and Applied Genetics Feb. 2020; volume 133, 503–516

Người ta xác định được những vị trí QTL rộng nhất  liên quan đến chống chịu lạnh trong cây bắp; chủ yếu là hiệu suất quang hợp, điều này mở ra cơ hội mới cho sàng lọc di truyền tạo ra giống bắp cao sản chống chịu lạnh. Chọn tạo giống bắp chống chịu lạnh là mục tiêu quan trọng cho vùng nông nghiệp ôn đới. Người ta thực hiện nghiên cứu QTLs tính trạng chống chịu lạnh của cây bắp. Người ta tiến hành đánh giá 406 dòng cận giao tái tổ hợp (RILs) từ quần thể bố mẹ MAGIC (multi-parent advanced generation intercross) diễn ra trong phytotron giữa hai nghiệm thức xử lý lạnh và nghiệm thức đối chứng. Thí nghiệm cón được thực hiện trên đồng ruộng  với hai nghiệm thức gieo sớm và gieo bình thường. Người ta đánh giá kiểu hình tính trạng liên quan đến chống chịu lạnh, đó là số ngày từ gieo đến xuất hiện cây mầm, hàm lượng diệp lục và hiệu quả tối đa củ hệ thống quang hợp II (maximum quantum efficiency of photosystem II): F_v/F_m. Người ta hình thành bản đồ theo kiểu “association” trên cơ sở đánh giá kiểu gen với sự hổ trợ của bộ chỉ thị SNP gần một triệu markers. Người ta tìm thấy 858 SNPs liên quan có ý nghĩa với những tính trạng nói trên, hầu hết có trong nghiệm thức xử lý lạnh và gieo sớm. Hầu hết QTLs có liên quan chặt đến hàm lượng diệp lục và F_v/F_m. Nhiều gen ứng cử viên trùng với kết quả nghiên cứu trước đây. Kết luận: (1) quần thể bố mẹ và con lai theo kiểu MAGIC là công cụ vô cùng hiệu quả để xác định QTLs điều khiển tính chống chịu lạnh; (2) hầu hết QTLs chống chịu lạnh liên quan đến F_v/F_m; (3) hầu hết QTLs định vị tại những vùng rất đặc biệt trong hệ gen cây bắp, đặc biệt là “bin 10.04”; (4) nghiên cứu này cho phép nhà chọn giống cải tiến tính trạng chống chịu lạnh bằng phương pháp GWAS.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03482-2

Tiến hóa của giống lúa thơm Basmati

Nguồn: Jae Young Choi, Zoe N. Lye, Simon C. Groen, Xiaoguang Dai, Priyesh Rughani, Sophie Zaaijer, Eoghan D. Harrington, Sissel Juul & Michael D. Purugganan. 2020. Nanopore sequencing-based genome assembly and evolutionary genomics of circum-basmati rice. Genome Biology volume 21, Article number: 21 (2020)

Nhóm lúa thơm Basmati (circum-basmati group) ở châu Á (Oryza sativa) có rất nhiều giống mang tính chất “iconic” (hình tượng), trải rộng ở Nam Á (Ấn Độ, Pakistan). Vì giá trị quan trọng của nó về kính tế và văn hóa, người ta muốn hình thành cơ sở dữ liệu genome tham chiếu chất lượng cao, vốn rất thiếu hiện nay. Lịch sử tiến hóa của nhóm lúa Basmati cũng chưa được nghiên cứu nhiều. Phục vụ cho yêu cầu này, nhóm tác giả công trình nghiên cứu đã sử phương pháp “long-read nanopore sequencing” và phương pháp tổng hợp dữ liệu trong genome: “assemble the genomes of two circum-basmati rice varieties”. Người ta tạo ra hai cơ sở dữ liệu genome tham chiếu chất lượng cao, ở mức độ nhiễm sắc thể, với 12 NST của Oryza. Dữ liệu tổng hợp cho thấy một “contig” N50 có độ lớn phân tử 6.32 Mb đối với Basmati 334 và 10.53 Mb đối với giống Dom Sufid. Sử dụng dữ liệu tích hợp hai dữ liệu gần nhau chất lượng cao (highly contiguous assemblies), người ta định tính được biến thiên xét theo cấu trúc di truyền giữa các giống lúa thơm thuộc “circum-basmati genomes”. Người ta tìm thấy những đoạn phân tử lập tại có tính chất phổ biến (repeat expansions) mà chưa bao giờ quan sát được trên loài phụ japonica – nhóm lúa có quan hệ rất gầnvới “circum-basmati” – cũng như sự có mặt và vắng mặt của  những biến thể trên đoạn phân tử 20 Mb, một đóng số đó là sự mất đoạn gen của “circum-basmati” khá đặc sắc của gen điều tiết chiều dài râu hạt thóc (awn length). Người ta còn tìm thấy chứng cớ mạnh mẽ hơn là có sự pha trộn giữa “circum-basmati” và “circum-aus groups”. Dòng chảy gen như vậy (gene flow) có tác động lớn nhất xảy ra trên nhiễm sắc thể 10, làm biến thiên cấu trúc di truyền và đa hình  nucleotide đơn để có kết quả biến thiên trong lịch sử tiến hóa “genome-wide history”. Sau cùng, phân tích hệ gen của quần thể này với 78 giống “circum-basmati” người ta thấy rằng ba nhóm có cấu trúc di truyền khác nhau về địa lý là: Bhutan / Nepal, India / Bangladesh / Myanmar, và Iran / Pakistan. Khả năng của kết quả phân tích theo phương pháp “high-quality reference genomes” cho phép chúng ta phân tích sự tiến hóa và chức năng của hệ gen cây lúa, cung cấp chứng cứ khóa học về “genome-wide” đối với sự kiện dòng chảy của gen giữa “circum-aus” và “circum-basmati”, giải thích bản chất tự nhiên của biến dị di truyền thuộc nhóm lúa “circum-basmati”, và cho biết biến thể có / không có của nhóm giống lúa mang tính chất hình tượng này và vô cùng quan trọng trên thương trường gạo của thế giới.

Xem: https://genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-020-1938-2

Tích tụ vi khoáng trong hạt thóc có mối tương quan với nhau

Nguồn: Yongjun Tan, Liang Sun, Qingnan Song, Donghai Mao, Jieqiang Zhou, Youru Jiang, Jiurong Wang, Tony Fan, Qihong Zhu, Daoyou Huang, Han Xiao, Caiyan Chen. 2020. Genetic architecture of subspecies divergence in trace mineral accumulation and elemental correlations in the rice grain. Theoretical and Applied Genetics; Feb. 2020, volume 133:  529–545.

Sự phân hóa trong hệ gen cây lúa biểu hiện sự đa dạng nguyên sơ giữa các loài phụ, góp phần vào mối tương quan giữa các vi khoáng trong hạt thóc. Sự cân bằng giữa những lượng vi khoáng chất ấy trong cây lúa, một loài lương thực chủ yếu của nhân loại, rất cần thiết cho sức khỏe loài người. Tuy nhiên, cơ sở di truyền của chúng vẫn chưa được biết rõ ràng về mối tương quan giữa các vi lượng này. Để làm rõ nội dung ấy, người ta lần đầu tiên đã tiến hành xác định hàm lượng của 11 vi khoáng chất như vậy trong hạt gạo của một tập đoàn giống lúa rất đa dạng bao gồm 575 mẫu giống lúa trồng. Người ta thấy rằng có 8 nguyên tố được tích tụ trong loài phụ indica và japonica  với khác biệt rất có ý nghĩa về thống kê. Người ta còn quan sát thấy rằng chúng tương quan với nhau rất có ý nghĩa trong mốt số các nguyên tố nói trên. Ngoài ra, người ta ứng dụng GWAS để phân tích và ghi nhận có tổng cộng 96 loci rất có ý nghĩa về nội hàm “association” viết tắt là SALs (significant association loci). Sự phân hóa của những SALs mang tính chất ảnh hưởng chủ yếu trong một số các alen mang tính chất tập trung cao độ, hiện diện trong hai loài phụ khẳng định có sự khác nhau trong loài phụ indica với japonica. Chỉ có một vài SALs định vị trên hệ gen với trạng thái chùm gen (clusters) và thành phần chủ lực của những loci này (SALs) biểu thị có sự phân hóa rất khác biệt nhau giữa hai loài phụ nói trên, hoặc các nhóm giống lúa khác nhau. Điều này cho thấy những tương quan như vậy giữa các nguyên tố vi lượng trong tập đoàn giống lúa đa dạng chủ yếu do sự phân hóa của “genome” thay vì nền tảng di truyền bị chia sẻ (shared genetic basis). Kiến trúc di truyền trong nghiên cứu này sẽ giúp chúng ta dễ dàng hơn trong cải tiến giống lúa có hàm lượng vi khoáng chất mong muốn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03485-z

Gen mã hóa protein liên quan đến hàm lượng diệp lục của cây sắn, jatropha, thầu dầu, arabidopsis

Nguồn:Zhao Y, Kong H, Guo Y, Zou Z. PeerJ. 2020. Light-harvesting chlorophyll a/b-binding protein-coding genes in jatropha and the comparison with castor, cassava and arabidopsis . 2020 Jan 28;8:e8465. doi: 10.7717/peerj.8465. eCollection 2020.

Họ protein “super family” Lhc (light-harvesting chlorophyll a/b-binding protein) đặc trưng cho một lớp protein “antennae”. Chúng có vai trò quan trọng trong bắt giữ năng lượng mặt trời cũng như bảo vệ cây trước bức xạ cực đoan (photoprotection) trong điều kiện cây bị stress. Cho dù quan trọng như vậy nhưng người ta vẫn chưa biết một cách rõ ràng cơ sở khoa học của nó ngay cả cây mô hình. Theo nghiên cứu này, nhóm tác giả công trình đã phân tích lần đầu tiên cái gọi là “genome-wide analysis” họ gen (super family) Lhc trong hệ gen cây jatropha (Jatropha curcas L., Euphorbiaceae), cây cho dầu làm năng lượng sinh học. Có tất cả 27 thành viên trong “super family” này được xác định trong hệ gen cây jatropha. Chúng phân bố hơn 9 NST trong 11 nhiễm sắc thể. Siêu họ này được so sánh với 28 mẫu giống cây thầu dầu – tiếng Anh là castor, tên khoa học là: Ricinus communis, thuộc họ Euphorbiaceae, với 35 mẫu giống khoai mì (Manihot esculenta, Euphorbiaceae) và 34 mẫu Arabidopsis (Arabidopsis thaliana). Người ta đã thực hiện thí nghiệm gần đây, trong một hoặc hai WGDs (whole-genome duplications: tự tái bản toàn bộ hệ gen), theo thứ tự. Ngược lại, đối với số lượng lớn hơn về “paralogs” có trong cây khoai mì và cây Arabidopsis, người ta thấy có rất ít “duplicates” trong cây jatropha so với cây thầu dầu, tương ứng với không có WGD như vừa được khảo sát trong hai loài này. Tuy nhiên, có tất cả 26 “orthologous groups” (nhóm tương đồng) đại diện cho 4 họ đã được định danh, được tìm thấy trong cây jatropha, và gần như có tương quan một đối một được người ta quan sát trong cây jatropha và cây thầu dầu castor. Bên cạnh đó, có một nhóm mới với thuật ngữ là SEP6 được chứng minh đã bị mất trong cây Arabidopsis. Thực hiện kỹ thuật “profiling” hệ transcriptome cho kết quả là có một sự thể hiện ưu tiên của các gen thuộc họ JcLhc trong mô còn xanh, phản ánh vai trò then chốt của chúng trong quang tổng hợp. Hơn nữa, các “profiles” biểu hiện gen đối với hormones, stress khô hạn và mặn cũng được người ta nghiên cứu trong trướng hợp này. Kết quả ấy không chỉ cải tiến sự hiểu biết của chúng ta về tiến hóa của loài đối với họ gen Lhc, mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho thâm cứu cây jatropha.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6993755/

Hình: Phổ biểu hiện đặc biệt của mô tế bào có superfamily genes “JcLhc”.

Thang màu biểu thị FPKM được chuyển qua giá trị log₁₀ – trong đó, màu xanh nước biển là biểu hiện thấp và màu đỏ biểu hiện cao.

FPKM: viết tắt từ chữ fragments per kilobase of exon per million fragments mapped;

IND: viết tắt từ chữ undifferentiated inflorescence of 0.5 cm diameter;

PID1: female flower with carpel primordia beginning to differentiate;

PID2, female flower with three distinct carpels formed;

STD1, male flower with stamen primordia beginning to differentiate;

STD2, male flower with ten complete stamens formed.