Điều tiết theo di truyền biểu sinh của những receptor mang tính đối kháng liên quan đến kháng bệnh đạo ôn và năng suất cây lúa

Nguồn: Yiwen Deng, Keran Zhai,Zhen Xie, Dongyong Yang, Xudong Zhu, Junzhong Liu, Xin Wang, Peng Qin, Yuanzhu Yang, Guomin Zhang, Qun Li, Jianfu Zhang, Shuangqing Wu, Joëlle Milazzo, Bizeng Mao, Ertao Wang, Huaan Xie, Didier Tharreau, Zuhua He. 2017. Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance. Science Feb 2 2017 (10.1126/science.aai8898)

TÓM TẮT

Cải thiện giống cây trồng nhằm mục đích cân bằng giữa tính kháng bệnh và năng suất sao cho không nghiêng lệch (antagonism). Gen đơn, kháng bệnh “R” có thể dẫn đến sự phá vỡ tính kháng và việc chồng gen kháng R với nhau có thể tác động hợp lý hơn cho tăng trưởng. Ở đây, các tác giả báo cáo rằng locus định vị gen Pigm của cây lúa có một chùm gen (cluster of genes) mã hóa protein mang tính chất receptors có thuật ngữ khoa học là NLR (nucleotide-binding leucine-rich repeat). Những receptors ấy liên quan đến tính kháng bền vững bệnh đạo ôn lúa do vi nấm Magnaporthe oryzae gây ra mà không làm năng suất lúa bị tụt xuống. Trong chùm gen như vậy, PigmR liên quan đến phổ kháng bệnh rộng, trong khi đó gen PigmS tiết giảm mang tính cạnh tranh với PigmR theo kiểu “homodimerization” để ức chế tính kháng bệnh. Sự thể hiện gen PigmS, sau đó là tính kháng trên cơ sở PigmR, đều bị khống chế bởi sự điều tiết mang tính chất di truyền biểu sinh khá chặt chẽ (tight epigenetic regulation). PigmS làm gia tăng sự tạo hạt lúa làm mất tác dụng của năng suất mà nó được kích thích bởi gen PigmR. Do đó, nghiên cứu này phải tìm ra được cơ chế làm cân bằng giữa tính kháng bệnh cao với năng suất thông qua sự điều tiết có tính chất di truyền biểu sinh trong những cặp NLRs mang chất đối kháng (antagonistic NLRs), điều ấy sẽ cung cấp cho chúng ta những công cụ hữu ích để phát triển các dòng lúa ưu việt theo monmg muốn. Bệnh hại cây trồng đang đe dọa an ninh lương thực toàn cầu và nền nông nghiệp bền vững. Chiến lược có hiệu quả nhất để ngừa bệnh prevent là phát triển giống kháng có tính kháng bền vững và phổ kháng rộng. Bệnh đạo ôn lúa, do vi nấm Magnaporthe oryzae (Pyricularia oryzae), là một trong những đối tượng gây hại nghiêm trọng nhất trong sản xuất lúa toàn cầu. Giống lúa cổ truyền của Trung Hoa là Gumei 4 (GM4) đã và đang được người ta sử dụng như một nguồn cho tính kháng rất tốt trong lai tạo giống lúa trong hơn 50 năm qua. Các giống mới xuất phát từ nguồn GM4 như vậy, hoặc những dòng gần như đẳng gen (NIL-Pigm) với locus Pigm kháng bệnh có chức năng điều khiển tính kháng cao và ổn định mà không làm thay đổi tính kháng với những đối tượng gây bệnh khác, có phổ kháng bệnh rộng hơn các gen Pi đã được biết, ví dụ như Pi9/Pi2/Pizt. Hơn nữa, Pigm locus đã được sử dụng tại Trung Quốc. Tuy nhiên, cơ chế phân tử của gen Pigm về tính kháng bệnh chưa được biết rõ. Các tác giả đã lập bản đồ di truyền gen Pigm với sự trợ giúp của “BAC contig” (đoạn phân tử chồng lấp khi dòng hóa đoạn trình tự này bằng BAC clones) của giống lúa GM4 theo kết quả nghiên cứu trước đó. Họ giải trình tự “BAC contig” phủ trên Pigm và khám pha có một chùm gen của các gen 13 NLR bao gồm 3 phân tử nguyên vẹn NLRs đã được phiên mã (R4, R6 và R8), 10 gen giả (potential pseudogenes) (R1, R2, R3, R5, R7, R9-R13), và một retrotransposon Ty3/gypsy. Trình tự genomic của đoạn locus Pigm có chức năng giống như gen Pi2, Pi9 và chùm gen lúa hoang (wild rice clusters). Điều đó cho thấy locus Pigm có thể được chọn trong quá trình tuần hóa  từ một locus có từ rất xa xưa.

Xem www.sciencemag.org.

GS. Bùi Chí Bửu lược dịch.

Hình 1: Cloning và xác định chức năng của gen  Pigm.  (A) Khảo nghiệm trên nương mạ đạo ôn cho thấy tính kháng bệnh trên lá và cổ bông được điều khiển bởi gen Pigm ở giai đoạn đẻ nhánh (trái) và gđ trổ (phải). NIPB là dòng bố mẹ đối chứng. (B) So sánh tính kháng của  Pigm  với các gen  Pi9,  Pi2 và Pizt, được chủng với mẫu phân lập CH12. (C) Locus  Pigm được lập bản đồ phân giải cao trên cơ sở quãng phân tử của BAC30. Chữ số dưới cột là những “recombinants”. Đáng giá kiểu gen và đánh giá kiểu hình các recombinants được ghi nhận. R, kháng; S, nhiễm. (D) cấu trúc genome của 13 NLR-like genes và một LTR  gypsy locus Pigm. Màu sắc hiển thị bản chất đồng dạng (paralogs). (E) Kiểu hình của 3 dòng nhiễm mang tính chất “suppressor” (GM4-S1-S3) có sự mất đoạn của locus  Pigm. (F) Kiểu hình của dòng chuyển gen  PigmR  và 35S::PigmR và dòng bố mẹ NIPB. (G) Kiểu hình của NIL-Pigm, NIPB và 4 dòng độc lập với PigmR-RNAi. Giá trị thanh: 1 cm.