QTL điều khiển tính trạng thời gian trổ bông của cây dưa leo

Nguồn: Y Pan, C Wen, Y Han, Y Wang, Y Li, S Li, X Cheng & Y Weng. 2020.  QTL for horticulturally important traits associated with pleiotropic andromonoecy and carpel number loci, and a paracentric inversion in cucumber. Theoretical and Applied Genetics - July 2020; vol. 133:2271–2290

Androdioecy là hệ thống sinh sản được định tính bởi  sự có mặt đồng thời của sự thụ phấn hoa bình thường và cơ quan hermaphrodite lưỡng tính (cung cấp cả giao tử đực và cái). Androdioecy rất hiếm gặp khi so sánh với các hệ thống sinh sản khác như lưỡng tính biệt chu (dioecy), gynodioecy có cây cái và cây androdioecy cùng hiện diện và hermaphroditism có cơ quan sinh dục sản sinh ra giao tử bình thường và giao tử bất thường bao gồm đực cái lẫn lộn. Giống dưa leo truyền thống, dòng tự phối WI2757 có một phối hợp rất hiếm của tính kháng với 9 đối tượng gây bệnh hại cây. Đây là nguồn giống bố mẹ quan trọng phục vụ nội dung lai tạo giống dưa leo mới. Tuy nhiên, hoa dưa leo của giống WI2757 trổ muộn và không thích ứng tốt với điều kiện trên đồng ruộng. Cơ sở di truyền của tính trạng nông học này cũng như tính trạng kháng bệnh nói trên chứa được biết rõ trong giống WI2757. Trong công trình khoa học này, người ta thực hiện bản đồ QTL với quần thể con lai F₂ và quần thể RIL (recombinant inbred line) từ cặp lai WI2757 × True Lemon. Số liệu kiểu hình thu thập được lấy từ thí nghiệm trên ruộng có lập lại, qua nhiều năm, theo dõi 7 tính trạng bao gồm số quả CN (fruit carpel number) và biểu hiện tính dục của dưa leo (sex expression). Người ta thiết lập bản đồ SNP phân giải cao (high-density SNP-based genetic map) trong đó, nội dung đánh giá kiểu gen theo phương pháp GBS (genotyping by sequencing) trong quần thể cận giao tái tổ hợp. Người ta phát hiện vùng đích nằm ở nhiễm sắc thể 1 với áp lực tái tổ hợp rất mạnh. Tái tổ hợp suy giảm trong vùng đích do hiện tượng đảo đoạn paracentric, có kích thước ~ 10-Mbp trong giống WI2757. Điều này được xác định bằng phân tích  “additional segregation” và phân tích FISH (nhiễm sắc thể). Ba mươi sáu QTL được tìm thấy quy định trời gian trổ bông, chiều dài quả (FL), đường kính quả (FD), dạng hình quả (LD), số quả (FN), CN, và tính kháng bệnh phấn trắng (powdery mildew). Năm QTL có ảnh hưởng trung bình đến mạnh đối với tính trạng FL, FD, LD, và FN nằm bên trong vùng đảo đoạn, biểu hiện tính chất gen đa tính trạng (pleiotropic effects) đối với locus andromonoecy (m), hoặc locus cn. QTL chủ lực quy định thời gian trổ bông ảnh hưởng là QTL ft1.1 cũng được tìm thấy trên bản đồ ở vùng đảo đoạn này, khác với QTL quy định kéo dài thời gian trổ delayed flowering trong giống dưa leo WI2757. Như vậy sử dụng giống WI2757 làm nguồn vật liệu lai được khuyến cao.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03596-y

QTL quy định tính trạng thời gian nấu chín hạt đậu cô ve

Nguồn: M. Berry, P. Izquierdo, H. Jeffery, S. Shaw, S. Nchimbi-Msolla & K. Cichy. 2020. QTL analysis of cooking time and quality traits in dry bean (Phaseolus vulgaris L.). Theoretical and Applied Genetics - July 2020; vol. 133:2291–2305

Ba QTL rất lớn quy định tính trạng thời gian nấu chín hạt đậu cô ve khô trong vòng 11–26 phút được xác định tại cùng vị trí với QTL quy định hàm lượng protein hạt gia tăng. Tính trạng thời gian nấu chín của hạt (cooking time) là yếu tố chủ yếu gắn liền với thị hiếu người tiêu dùng của hạt đậu cô ve khô (Phaseolus vulgaris L.). Điều khiển di truyền của tính trạng thời gian nấu chín hạt khô được nghiên cứu với một QTL có trong quần thể con lai RIL từ tổ hợp lai giữa TZ-27 (thời gian nấu chín chậm) và TZ-37 (thời gian nấu chín nhanh). Quần thể cận giao tái tổ hợp RIL bao gồm 146 dòng con lai, được trồng ngoài ruộng trong 2 năm liên tiếp, tại Arusha và Morogoro, Tanzania. Arusha là giống cô ve quan trọng cho vùng có vĩ độ trung bình ở hai bán cầu, với nhiệt độ  của vùng ôn đới và lượng mưa đáng tin cậy, trong khi đó, ở cao trình thấp và nhiệt độ cao của Morogoro, nó không thể cho sản lượng cao. Quần thể con lai ấy biểu hiện sự biến dị rất lớn về tính trạng thời gian nấu chín hạt khô, biến thiên 22–98 phút. Trung bình, đậu cô ve trồng ở Arusha có thời gian nấu chín 15 phút, nhanh hơn đậu được trồng ở Morogoro. Người ta thiết lập một bản đồ di truyền dạng linkage map, với 1951 chỉ thị SNP, để phân tích QTL. Mười  QTL được phân lập có liên quan đến tính trạng thời gian nấu chín, ba QTL trong số ấy được tìm thấy tại nhiều địa điểm thí nghiểm. Các dòng RILs với 3 QTL này (CT3.1, CT6.1, và CT11.2)  có thời gian nấu chín hạt trong vòng 11 phút nhanh hơn ở Arusha và 26 phút nhanh hơn ở Morogoro trong các dòng RILs thử nghiệm. Các thuộc tính của hạt đậu cô ve liên quan đến thời gian nấu chín là sinh khối hạt càng lớn và phân trămvõ hạt càng thấp, thời gian nấu chín càng nhanh. Protein trong hạt chín biến thiên 17.8 - 30.8% tùy theo năm và địa điểm thí nghiệm. Tất cả QTL quy định thời gian nấu chín định vị cùng với QTL quy định hàm lượng protein, và TZ-37 luôn luôn góp phần vào thời gian nấu chín nhanh hơn và hàm lượng protein cao hơn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03598-w

qGL2H điều khiển tính trạng chiều dài hạt lúa mạch (Hordeum vulgare L.)

 Nguồn: C Watt, G Zhou, LA McFawn & C Li . 2020. Fine mapping qGL2H, a major locus controlling grain length in barley (Hordeum vulgare L.). Theoretical and Applied Genetics – July 2020; vol. 133:2095–2103

Hình 2; Fine mapping “qGL2H”. Màu đỏ là QTL interval. Vùng màu đen là fined-map QTL

QTL quy định chiều dài hạt lúa mạch định vị trên nhiễm sắc thể 2H, được tiến hành fine mapping tại vùng có độ lớn phân tử 140.9 Kb với 3 gen được phân lập. Năng suất tăng là mục tiêu chính của chương trình cải tiến giống lúa mạch. Tiếp cận phương pháp làm tăng năng suất bằng cách tăng khối lượng hạt, thông qua điều tiết kích cỡ hạt lúa mạch. Fine mapping những QTL quy định kícht thước hạt lúa mạch là điều kiện rất cần thiết phục vụ chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử trong tương lai, mà  điều này rất hạn chế trong các nghiên cứu lúa mạch. Công trình khoa học này sử dụng quần thể con lai là những dòng đơn bội kép (DH: doubled haploid) từ hai giống lúa mạch của Úc (malt barley varieties): giống Vlamingh và giống Buloke, tập họp số liệu đanh giá kiểu gen và kiểu hình từ 3 địa điểm thí nghiệm khác nhau. Locus chủ lực quy định chiều dài hạt định vị trên nhiễm sắc thể 2H ký hiệu là qGL2H được tiến hành “fine mapped” tại vùng có độ lớn phân tử 140.9 Kb. Bên cạnh đó, qGL2H giải thích được 25.4% biến thiên kiểu hình của chiều dài hạt và giải thích 10.2% biến thiên kiểu hình của năng suất hạt. Hiểu biết qGL2H dẫn đến kết quả phân lập ba gen dự đoán có độ tin cậy cao. Một trong 3 gen đó mã hóa yếu tố phiên mã MYB và đặc trưng cho gen ứng cử viên đầy triển vọng, phục vụ nghiên cứu chuyên sâu di truyền cây lúa mạch.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03579-z

Gen kháng bệnh đốm lá cây đậu phụng (Arachis hypogaea L.) thông qua phân tích GWAS

Nguồn Hui Zhang, Ye Chu, Phat Dang, Yueyi Tang, Tao Jiang, Josh Paul Clevenger, Peggy Ozias-Akins, Corley Holbrook, Ming Li Wang, Howard Campbell, Austin Hagan & Charles Chen. 2020.  Identification of QTLs for resistance to leaf spots in cultivated peanut (Arachis hypogaea L.) through GWAS analysis. Theoretical and Applied Genetics – July 2020; volume 133:2051–2061

Hai QTLs định vị trên nhiễm sắc B09 kết hợp với nhau có ý nghĩa quy định tính trạng kháng cả hai bệnh đốm lá sớm và muộn (early and late leaf spots), thông qua GWAS (genome-wide association study) trong tập đòan giống đậu phụng Hoa Kỳ, thuộc mini-core collection. Đốm lá sớm ELS (early leaf spot) và đốm lá muộn LLS (late leaf spot) là hai đối tượng gây hại nghiêm trọng trên canh tác đậu phụng ở Hoa Kỳ, gây thiệt hại hàng chục triệu đô la mỗi năm. Tuy nhiên, các nhân tố di truyền liên quan đến tính kháng bệnh này vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Người ta thực hiện phân tích theo mô phỏng GWAS với hai đối tượng gây bệnh này, sử dụng Affymetrix version 2.0 SNP array, với 120 mẫu giống đậu phụng chủ yếu thuộc tập đoàn mini-core trong quỹ gen đậu phụng của Hoa Kỳ. Có tất cả 46 quantitative trait loci (QTLs) được xác định, giải thích được biến thiên kiểu hình (PVE) từ 10.19 đến 24.11%. trong đó, có 18 QTLs quy định tính kháng với ELS và 28 QTLs quy định tính kháng với LLS. Trong 46 QTLs, có 4 QTL chủ lực kháng ELS và hai QTL chủ lực kháng LLS, với PVE hơn 16.99%. Sáu QTL chủ lực này có  5 QTLs định vị trên B sub-genome; chỉ có một QTL định vị trên A sub-genome. Như vậy có nghĩa là: tiềm năng kháng của B sub-genome nhiều hơn A sub-genome. Hơn nữa, hai vùng ấy trên nhiễm sắc thể B09 được tìm thấy, có vai trò điều khiển tính kháng đối với cả hai ELS và LLS. Tổng số có 74 gen mang tính chất “non-redundant” được phân lập là những gen kháng. Trong đó, 12 gen ứng cử viên có ý nghĩa đáng kể trong hệ gen cây đậu phụng; bao gồm 2 gen ứng cử viên điều khiển tính kháng cả hai ELS và LLS, 10 gen còn lại là ứng cử viên của ELS. Những QTLs này và những gen ứng cử viên trong nghiên cứu sẽ rất hữu ích cho chương trình cải tiến giống đậu phụng kháng bệnh.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03576-2

Hình 3 và 4:  (a) Giản đồ Manhattan và (b) giản đồ Q–Q plot (b) đối với bệnh ELS (hình trên) và bệnh LLS (hình dưới) cho đậu phụng năm 2014. Đường màu đỏ: − log10 (P value) = 4.31. Đường màu xanh: − log10 (P value) = 3.01.

Di truyền tính kháng bệnh rỉ sắt của lúa mì và lúa mạch

Nguồn: Hoan X. Dinh, Davinder Singh, Sambasivam Periyannan, Robert F. Park & Mohammad Pourkheirandish. 2020.  Molecular genetics of leaf rust resistance in wheat and barley. Theoretical and Applied Genetics July 2020; vol. 133:2035–2050

Nhu cầu chính về nguồn cung cấp năng lượng của mễ cốc vẫn tiếp tục gia tăng do dân số thế giới tăng rất nhanh. Bệnh rỉ sắt trên lá mễ cốc làm thất thu năng suất đáng kể, đặt ra cho loài người thách thức đối với nội dung an ninh lương thực toàn cầu. Khai thác các gen kháng bệnh đã và đang được xem như giải pháp hiệu quả nhất và bền vững nhất. Trong khi tính kháng do di truyền làm giảm đi tác động của bệnh tật trong nông nghiệp, thì những thất thoát vẫn còn xảy vì khả năng biến đổi của pathogen tương ứng với cây chủ, để thay đổi và làm cho gen kháng trở nên vô hiệu, cộng thêm bản chất tiến hóa rất chậm của gen kháng được xác định và tìm thấy trong công trình này. Kết quả đã phác họa ra những chiến lược mới dựa trên thành tựu của công nghệ đọc trình tự gen, hệ gen. Ngần ấy thúc đẩy nội hàm phân lập gen chính xác, khắc phục được tính chất phức tạp của hệ gen cây mễ cốc (đa bội thể). Các gen kháng bệnh rỉ sắt trên lá được dòng hóa cho đến nay của hệ gen cây lúa mì và lúa mạch thuộc nhiều họ protein, đó là nucleotide binding site/leucine-rich repeat receptors và transporters. Các tác giả đã tổng hợp lại nhiều công trình nghiên cứu về cơ chế tự vệ của cây liên quan đến gen kháng bệnh rỉ sắt trong loài mễ cốc, vai trò của chúng trong kích thích hệ miễn dịch (pattern-triggered immunity) hoặc miễn dịch trên cơ sở kích hoạt protein effector (effector-triggered immunity).

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03570-8

Plastocyanin trong hệ thống quang hợp I & II

Nguồn: Ricarda Höhner,  Mathias Pribil, Miroslava Herbstová,  Laura Susanna Lopez,  Hans-Henning Kunz,  Meng Li, Magnus Wood, Vaclav Svoboda,  Sujith Puthiyaveetil,  Dario Leister, and Helmut Kirchhoff. 2020. Plastocyanin is the long-range electron carrier between photosystem II and photosystem I in plants. PNAS June 30, 2020 117 (26) 15354-15362

Ý nghĩa khoa học:

Chuyển hóa năng lượng sinh học gắn liền với trình tự được xác định của  những phản ứng redox trong vận chuyển electron xuyên màng, chuỗi vận chuyển của lục lạp và ty thể bộ. Trong thực vật, vận chuyển electron quang hợp giữa hai hệ thống quang tổng hợp phải bao phủ hết các khoảng cách của hàng trăm nanometers. Điều ấy do đặc điểm kiến trúc của chúng rất độc đáo về màng thylakoid trong quang hợp, gấp cuộn thành stacked grana và unstacked stroma thylakoids. Câu hỏi đặt ra làm thế nào để thể vận chuyển electron, plastoquinone hoặc plastocyanin, mang electrons qua lộ trình rất dài từ PSII trong vùng bị dồn nén (stacked regions) đến hệ thống PSI trong vùng tháo dồn nén (unstacked regions). Khai thác những đột biến có đường kính grana khác nhau, người ta xác định plastocyanin như một thể mang electron đường dài (long-range electron carrier). Phát hiện này vô cùng quan trọng để kiểm soát được sự vận chuyển electron trong quang hợp.

Kết quả nghiên cứu

Trong vận chuyển electron của quang hợp, nhiều phức mang tính chất multiprotein khá đồ sộ được kết nối bởi các thể mang (carriers) electron có tính chất khuếch tán, sự vận hành ấy gặp thách thức bởi đám đông các đại phân tử. Đối với màng thylakoid của loài thực vật bậc cao, một câu hỏi vẫn tồn tại là hai vật chất mang electron di động được, plastoquinone hoặc plastocyanin, trung chuyển electron từ stacked grana thylakoids ở đó hệ thống PSII (photosystem II) định vị để tiến đến vùng tháo nén (unstacked regions) của thylakoids, mà ở đây là hệ thống quang hợp I (PSI). Các tác giả đã xác định được plastocyanin chính là thể mang eletron có tính chất đa năng (long-range electron carrier) nhờ nghiên cứu các đột biến có những đường kính grana khác nhau. Hơn nữa, kết quả còn giải thích được tại sao thực vật bậc cao có quãng rất hẹp của đường kính grana vì khoảng cách phân tán của chúng rộng hơn. Plastocyanin sẽ gây nguy hiểm cho hiệu quả vận chuyển electron. Theo kết quả nghiên cứu, khoang trong (lumen) của thylakoids, hình thành nên không gian cho sự phân tán xảy ra của plastocyanin, trải nghiệm sư co dãn hết sức năng động (dynamic swelling/shrinkage). Kết quả còn cho thấy: sự phân tán của plastocyanin là nhân tố điều tiết hợp lý – cần thiết của tiến trình vận chuyển electron khi cây quang hợp.

Xem https://www.pnas.org/content/117/26/15354