Chiến lược nghiên cứu mới về hệ gen cây bắp

Nguồn: K. O. G. Dias, H. P. Piepho, L. J. M. Guimarães, P. E. O. Guimarães, S. N. Parentoni, M. O. Pinto, R. W. Noda, J. V. Magalhães, C. T. Guimarães, A. A. F. Garcia, M. M. Pastina. 2020. Novel strategies for genomic prediction of untested single-cross maize hybrids using unbalanced historical data. Theoretical and Applied Genetics; February 2020, 133(2): 443–455

Thông số di truyền số lượng dự đoán giá trị di truyền của những tính trạng nông học cây bắp trên cơ sở dữ liệu có tính chất “unbalanced dataset”, phục vụ đắc lực cho các chương trình cải tiến giống bắp. Bên cạnh đó, sử dụng phương pháp dự đoán “two cycles preceding” như một thử nghiệm nhằm đạt được kết quả dự đoán tối ưu. Hiệu quả dự đoán này dựa trên cơ sở “untested single-cross hybrids” với giá trị “GP” (genomic prediction) - mong muốn đạt được hiệu quả chọn lọc cao nhất (genetic gain). Ở đây, các tác giả đã đánh giá được giá trị PA (predictive ability: khả năng dự đoán) theo chiến lược nghiên cứu mới về hệ gen cây bắp, để dự đoán ưu thế lai của các tổ hợp lai đơn, trên cơ sở phương pháp “unbalanced historical dataset”, đối với chương trình lai tạo giống bắp nhiệt đới. Số liệu khảo sát ngoài đồng bao gồm 949 tổ hợp lai đơn, được đánh giá từ năm 2006 đến 2013, với tám chu kỳ lai. Các dòng con lai có ưu thế lai được tính trên cơ sở kiểu gen bố mẹ (là những dòng cận giao), bằng chỉ thị phân tử SNP theo phương pháp GBS (genotyping-by-sequencing). Giá trị “GP” được phân tích trùng khớp với kết quả dự đoán theo phương pháp “best linear unbiased prediction” thông qua phân tích “stage-wise approach”, cho ra những giá trị khác biệt có tính chất “cross-validation” (minh chứng qua từng cặp lai cụ thể). Kết quả này cho thấy rằng sự quan trọng của các phương pháp điều chỉnh dữ liệu nền, ở từng giai đoạn trong phân tích “stage-wise”, do cấu trúc số liệu nền có mức độ không cân bằng rất cao (highly unbalanced data structure) và hệ số di truyền dự đoán của những biến thể di truyền qua nhiều năm, nhiều địa điểm trong một chương trình lai tạo giống thương mại. Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03475-1

Gen OsALDH2B1 có chức năng tự vệ trong hệ gen cây lúa, đối kháng với năng suất.

Nguồn: Yinggen Ke,  Meng Yuan,  Hongbo Liu, Shugang Hui, Xiaofeng Qin, Jie Chen, Qinglu Zhang, Xianghua Li, Jinghua Xiao, Qifa Zhang, and Shiping Wang. 2020. The versatile functions of OsALDH2B1 provide a genic basis for growth–defense trade-offs in rice. PNAS February 18, 2020 117 (7) 3867-3873

Hoạt động tự bảo vệ của cây trồng thường gây ra hậu quả ức chế tăng trưởng và giảm năng suất, điều ấy liên quan đến cái gọi là “trade-offs” giữa “tăng trưởng” và “tự vệ”. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta xác định được gen OsALDH2B1, có chức năng là một “master regulator” của xung đột “tăng trưởng-tự vệ” trong hệ gen cây lúa. Phát hiện ấy là ví dụ minh chứng cơ sở di truyền của tác động “trade-off” giữa “tăng trưởng-tự vệ” trong cây. Điều này có thể là sự kiện quan trọng trong cải tiến di truyền giống cây trồng khi chúng ta muốn duy trì khả năng tự vệ tốt, nhưng năng suất vẫn cao, giống cao sản vẫn kháng được sâu bệnh hại. Người ta xác định được gen OsALDH2B1, có chức năng của một “master regulator” trong sự kiện “trade-off” giữa “tăng trưởng và tự vệ” của cây lúa. Protein OsALDH2B1 có chức năng đầu tiên là aldehyde dehydrogenase và chức năng của một regulator phiên mã về ban đêm. Đột biến làm mất chức năng của OsALDH2B1 làm tăng cường đáng kể tính kháng phổ rộng với các pathogens, như nấm gây bệnh đạo ôn, vi khuẩn gấy bạc lá lúa, vi khuẩn gây bệnh sọc trong, nhưng cho kết quả  làm thay đổi kiểu hình hết sức bất lợi  như bất dục đực, giảm kích thước cây lúa, kích thước hạt thóc, và số hạt / bông. Người ta tìm thấy chức năng ban đầu của nó như một hệ men trong ty thể bộ có tên là “aldehyde dehydrogenase” gây ra bất dục đực. Đây là chức năng “moonlight” đối với phân tử điều hòa nội dung phiên mã, có đặc điểm vừa ức chế, vừa kích hoạt, để điều hòa một loạt tiến trình sinh hoạt rất đa dạng, bao gồm: chu trình truyền tín hiệu của brassinolide, G protein, jasmonic acid, và salicylic acid. Điều tiết theo kiểu như vậy gây ra những tác động to lớn về hình thái và khả năng miễn dịch của cây lúa. Chức năng chính của protein OsALDH2B1 là một ví dụ điển hình cho cơ sở di truyền về xung đột giữa tăng trưởng và tự vệ của cây trồng.

Xem: https://www.pnas.org/content/117/7/3867

Hình 1: Ảnh hưởng đến kiểu hình cây lúa của gen OsALDH2B1, OsBZR1, và OsLIC. Cây lúa (A), kiểu hình bông lúa (B), kiểu hình hạt lúa (C) giữa cây WT và cây có gen đột biến osaldh2b1 (2b1).

(D) cây lúa WT, cây lúa đột biến osaldh2b1, OsBZR1-RNAi2, và cây lúa đột biến kép osaldh2b1/OsBZR1-RNAi2 phân ly trong quẩn thể F₂.

(E) cây lúa WT, cây lúa đột biến osaldh2b1, OsLIC-oe13, và đột biến kép osaldh2b1/OsLIC-oe13 phân ly trong quần thể F₂.

(F–H) tính kháng bệnh tăng trong cây lúa đột biến osaldh2b1 (F), dòng lúa bị can thiệp OsBZR1-RNAi (G), dòng lúa OsLIC-anti (H) đối với vi khuẩn bạc lá Xoo biểu hiện trên lá vào luc 14 ngày sau khi chủng vi khuẩn Xoo strain PXO341. (I) tính kháng tăng lên trong cây đột biến osaldh2b1 đối với Xoo biểu hiện trên lá vào lúa 7 sau khi chủng Xoo strain RH3. (J) tính kháng tăng lên trong cây đột biến osaldh2b1 đối với nấm gây bệnh đạo ôn M. oryzea ở giai đoạn 7 ngày sau khi chủng M. oryzea isolate N2-2.

Giống cam kháng “citrus psorosis virus”

Nguồn: De Francesco, M. Simeone, C. Gómez, N. Costa & M. L. García. 2020. Transgenic Sweet Orange expressing hairpin CP-mRNA in the interstock confers tolerance to citrus psorosis virus in the non-transgenic scion. Transgenic Research (2020) Published: 22 January 2020

Người ta không tìm thấy trong tự nhiên có giống cam kháng được CPsV “citrus psorosis virus” – do đó, kỹ thuật chuyển nạp gen tạo ra cây cam transgenic được xem xét như là cách tiếp cận để phát triển được giống cam kháng bệnh do siêu vi này (CPsV-resistant citrus). Muốn đánh giá khả năng kháng bệnh siêu vi ấy trên mắt ghép bình thường (non-transgenic scion), người ta tách chiết virus trên cây bằng kỹ thuật ghép giữa giống Sweet Orange (không transgenic) làm mắt ghép, với cam transgenic có tính kháng CPsV làm gốc ghép, dòng con lai thể hiện phân tử “intron-hairpin (ihp) RNA” dẫn xuất từ ihpCP (viral coat protein) như nguồn vật liệu “interstock”, sau đó dùng cây cam non-transgenic làm gốc ghép (rootstock). Kết quả chứng minh rằng phân tử “ihpCP-transcripts” chuyển vị từ cây ghép “interstock” đến mắt ghép, kích hoạt im lặng của phân tử “coat protein mRNA”. Hai CPsV độc lập này được xét nghiệm sinh học cho kết quả biểu hiện ihpCP trong cây interstock có tính kháng với CPsV, với nhiều mức độ tự vệ khác nhau trong mắt ghép “non-tg”, tùy thuộc vào vị trí dẫn truyền virus. kết quả cho thấy kỹ thuật ghép này rất có triển vọng về mặt công nghệ sinh học ứng dụng để tạo ra giống cam quýt kháng với sự nhiễm bệnh do siêu vi gây ra.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-020-00191-1

Hình: Triệu chứng của bệnh CPsV trên cam quýt.

Hiệu quả chọn lọc giống đậu nành

Nguồn: Sushan Ru &Rex Bernardo. 2020. Predicted genetic gains from introgressing chromosome segments from exotic germplasm into an elite soybean cultivar. Theoretical and Applied Genetics - February 2020; 133: 605–614

Muốn chọn tạo giống đậu nành cao sản, người ta du nhập đoạn gen mục tiêu có độ dài phân tử lớn trên nhiễm sắc thể thay vì alen của những QTLs có từ nguồn vật liệu giống nhập nội. Việc mở rộng khả năng đa dạng di truyền của vật liệu bố mẹ trong chương trình lai giống đậu nành cao sản [Glycine max (L.) Merrill] qua nguồn vật liệu nhập nội thường ít thành công và khó khăn. Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm (1) xác định các đoạn nhiễm sắc thể cần thiết (thay vì xác định các QTL với locus của alen nào đó) từ nguồn vật liệu bố mẹ nhập nội (exotic soybean germplasm), và (2) xác định chiến lược du nhập và chồng các đoạn nhiễm sắc thể “exotic” ấy vào giống đậu nành cao sản cần được cải tiến di truyền. Người ta ước lượng các chỉ thị có tính chất “genomewide marker” ảnh hưởng đến năng suất và các tính trạng nông học khác trong 7 tổ hợp lai với dòng đậu nành cao sản IA3023 và bảy giống đậu nành nhập nội “plant introductions” (PIs). Người ta dự đoán hiệu quả chọn lọc về di truyền (GA: genetic gains) từ ≤ 2 tái tổ hợp mục tiêu / nhóm liên kết (linkage group). Mô phỏng toán học cho năng suất dự đoán và thời gian sinh trưởng của dòng đậu nành trong 7 quần thể con lai PI × IA3023, giá trị dự đoán đạt 8–25% lớn hơn năng suất của giống IA3023. Sự thay đổi mối tương quan với thới gian sinh trưởng, kiểu hạt, sự đổ ngã, chiều cao cây đều thấp nhưng tuân theo hướng mong muốn của nhà chọn giống. Trái lại, chọn lọc dòng cận giao tái tổ hợp tốt nhất (best recombinant inbred) (không có tái tổ hợp mục tiêu) trong từng quẩn thể của cặp lai PI × IA3023 dẫn đến kết quả là năng suất kém so với giống IA3023. trong một quần thể con lai của PI × IA3023, kết quả du nhập nhiễm sắc thể và quy tụ các đoạn nhiễm sắc thể chỉ biểu hiện được hai “linkage groups” từ những dòng RILs chọn lọc từ IA3023 được dự đoán là 8% năng suất cao hơn IA3023 mà các tính trạng nông học khác không thay đổi. Xác suất di truyền được đoạn nhiễm sắc thể mong muốn đủ để cho phép nhà chọn giống du nhập cũng như quy tụ các đoạn nhiễm sắc thể ấy từ 5 đến 5 thế hệ.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03490-2

Nghiên cứu bệnh khảm do virus trên cây sắn ở Zambia

Nguồn: Chikoti PC, Mulenga RM, Tembo M, Sseruwagi P. 2020. Cassava mosaic disease: a review of a threat to cassava production in Zambia. J. Plant Pathol. 2019; 101(3):467-477.

Sắn (Manihot esculenta Crantz) là cây lương thực chủ lực quan trọng nhất của Zambia. Ước khoảng 30% người Zambians, 4 triệu dân sử dụng sắn làm nguồn thức ăn chính hàng ngày. Sắn được trồng từ những nông hộ nhỏ ít hơn 1 Ha. Họ đang đối mặt với rất nhiều vấn đề, đặc biệt là bệnh khảm sắn do virus gây ra (CMD: cassava mosaic disease). CMD có mặt trên tất cả đồng ruộng trồng sắn ở Zambia làm tổn thất 50% - 70% năng suất củ. Từ đầu những năm 1990s, người ta đã đề ra chiến lược bảo vệ mùa màng bằng giống kháng và kỹ thuật canh tác thích hợp với những giống sắn kháng CMD đã và đang được phát triển trong sản xuất. Tuy nhiên, mọi nỗ lực để kiểm soát CMD vô cùng hạn chế bởi vì rất ít nông dân tham gia trồng giống sắn kháng bệnh. Gần đây, người ta tiến hành đánh giá vấn đề CMD một cách hệ thống hơn, điều tra thường xuyên và chẩn đoán bệnh tại ruộng. Sự hỗ trợ nhà chọn giống được tiến hành tốt hơn trong sàng lọc giống kháng bệnh và nguồn vật liệu cho gen kháng. Tổng quan về nghiên cứu CMD trên cơ sở điều tra diện rộng về động thái phát triển của bệnh, sự lây lan của CMD, thiệt hại năng suất sắn, những chiến dịch tăng cường hiểu biết về bệnh này cho nông dân và nhà quản lý nông nghiệp cũng như các phương thức quản lý bệnh hiệu quả tại Zambia trong hơn 25 năm. Đây là tư liệu cần được các nhà khoa học về cây sắn tham khảo.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31983872