Nghiên cứu genome tổng thể của những thay đổi di truyền xảy ra trong quá trình chọn tạo giống hiện đại của cây cải dầu Brassica napus

Tác giả: Nian Wang, Feng Li, Biyun Chen, Kun Xu, Guixin Yan, Jiangwei Qiao, Jun Li, Guizhen Gao, Ian Bancroft, Jingling Meng, Graham J. King, Xiaoming Wu (2014)

Các biến dị di truyền của bộ gen cây cải dầu có thể xảy ra trong quá trình chọn tạo giống của vài thập niên gần đây đã được công bố. Trong những thập niên gần đây, có những thay đổi quan trọng về đặc điểm kiểu hình của cây cải dầu (rapeseed) bởi mọi nổ lực cải tiến giống của loài người. Bao trùm lên tất cả những biến dị của gen trên cơ sở cấu trúc của genome sẽ cung cấp cho người ta những kiến thức phục vụ cho nội dung cải tiến di truyền trong tương lai. Các tác giả của nghiên cứu này đã đánh giá những thay đổi di truyền theo phương pháp phân tích tổng thể genome (genome-wide genetic changes), bao gồm cấu trúc quần thể (population structure), những liên quan mật thiết trong di truyền (genetic relatedness), sự phát triển của liên kết không cân (linkage disequilibrium), đa dạng về nucleotide và sự phân hóa trong di truyền học (genetic differentiation) trên cơ sở phát hiện ở bên ngoài  F _ST (outlier detection), đối với tập đoàn cây cải dầu có 472 mẫu giống Brassica napus tự thụ, sử dụng kết quả 60 k Brassica Infinium^® SNP array. Người ta đã tìm thấy mức độ đa dạng di truyền biến thiên trong các nhóm phụ khác nhau. Hơn nữa, mức độ biến dị di truyền ấy đã tăng lên từ năm 1950 đến 1980 và hiện đang duy trì ở mức độ tương đồng tại Trung Quốc và Châu Âu. Họ còn tìm thấy có khoảng ~6–10 % vùng trong genome cây cải dầu biểu hiện giá trị cao F _ST. Một vài QTLs trước đây liên quan chặt chẽ đến các tính trạng nông học quan trọng đã bị chồng lấp lên với những vùng như vậy. Nhìn chung, genome của B. napus hiện nay đã được người ta phát hiện có nhiều tín hiệu F _ST cao hơn genome A, và các tác giả đã kết luận rằng genome C có thể đóng góp nhiều alen có giá trị để tạo ra những tính trạng mong muốn ưu việt hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng biến thị có thể xem xét được trong genome đã được vận dụng đưa vào các chương trình cải thiến giống cải dầu vào trong thập niên gần đây. Kết quả còn cung cấp cho chúng ta những kiến thức về tác động của cải tiến di truyền cây cải dầu trên cơ sở biến dị di truyền của bộ gen và khả năng ấy đối với việc mổ xẻ chi tiết các tính trạng phức tạp về nông học. Bài đăng trên tạp chí Theoretical and Applied Genetics, tháng 8-2014 127(8): 1817-1829

Xem http://link.springer.com/article/10.1007/s00122-014-2343-6

GIẢI MÃ GENOME LÚA Oryza glaberrima  CHÂU PHI

Bộ gen lúa Oryza glaberrima vừa được giải mã toàn bộ genome với sự cộng tác của nhiều nhà khoa học quốc tế, là sự kiện quan trọng trong khoa học cây lúa năm 2014.

Kết quả này cho phép các nhà  khoa học sẽ có điều kiện tốt hơn để chọn tạo giống lúa chống chịu với stress do những khắc nghiệt của môi trường và đối mặt với các thách thức về an ninh lương thực. Glaberrima xuất phát từ chữ “glabrous” có nghĩa là trơn láng, thể hiện ở phiến lá lúa, võ trấu, giúp cây lúa có thể quan hợp trong điều kiện bị ngập do nước đục, lá lúa trơn láng làm các chất lắng đọng khó bám được vào phiến lá. Nó là quá trình tiến hóa từ Oryza longistaminata, O. barthii, O. brevigulata để trở thành lúa trồng Châu Phi Oryza glaberrima, với sự đa dạng di truyền tuyệt vời.

Rod Wing là nhà khoa học nổi tiếng về dự án giải trình tự lại bộ gen cây lúa đối với các loài lúa hoang dại để so sánh với những khiếm khuyết của công trình quốc tế về giải mã trình tự bộ gen lúa năm 2002-2004. Ông hiện là Giám Đốc của Genomics Institute, thuộc Đại Học Arizona, Hoa Kỳ. Dự án OMAP (Oryza Mapping Alignment Project) do Rod Wing dẫn đầu đã tiến hành “resequencing” trên các loài lúa hoang từ 2008 đến 2010, với nhiễm sắc thể 3 được chi tiết hóa nhiều nhất. Nên nhớ, năm 2002: thế giới công bố bản thảo về giải trình tự genome cây lúa indica; năm 2003: người ta tạo ra thư viện cDNA có chiều dài phân tử đầy đủ với 28.000 cDNA; năm 2004: Hoàn tất việc giải mã trình tự genome cây lúa indiac và japonica thông qua công trình của Nhật, IRRI, Trung Quốc + hai công ty lớn Monsanto và Syngenta.

Rod Wing cho rằng bộ gen của O. glaberrima vô cùng quan trọng đối với stress phi sinh học như khô hạn, mặn nên đã trở thành nhóm trưởng của các nhà khoa học thực hiện đề án giải trình tự này. Thông tin di truyền của bộ gen lúa Châu Phi cho phép các nhà chọn giống lúa thực hiện chương trình cải tiến giống mới thông qua các tổ hợp lai giữa O. sativa x O. glaberrima năng suất cao và chống chịu tốt với điều kiện bất lợi do môi trường. Công trình khoa học này đã được công bố trên tạp chí Nature Genetics (doi:10.1038/ng.3044).

Xem http://uanews.org/story/generating-a-genome-to-feed-the-world-ua-led-team-decodes-african-rice.

Hình: Dr Rod Wing, Đại Học Arizona, Hoa Kỳ

Vai trò đặc biệt của Cysteine Protease trong hệ thống phát sinh bệnh cây khác nhau

Tác giả: Marjohn Niño, Joonki Kim, Hye Jung Lee, Sailila E. Abdula, Ill Sup Nou, Yong-Gu Cho.

Cysteine protease là một trong những đối tượng nghiên cứu khá kỹ đối với những enzyme có tính chất “proteolytic” trong thực vật. Lớp protease như vậy đã và đang được ám chỉ vào những khía cạnh sinh lý học muôn màu muôn vẻ các các giai đoạn phát triển thực vật, bao gồm giai đoạn nẩy mầm, giai đoạn lão hóa, và tính chất miễn dịch. Một loạt các nghiên cứu xác định cysteine protease trong thực vật có một môi trường hoạt động chuyên biệt ở mức độ phân tử trong rất ít hệ thống bệnh cây nào đó (selected pathosystems), và bắt đầu cho ra những cơ chế phân tử vô cùng phức tạp của tính kháng bệnh. Rất lý thú một điều là cùng một dạng proteases được phóng thích ra bởi các pathogens đều được người ta chứng minh rằng chúng có vai trò quan trọng trong tạo ra sự lây nhiễm bệnh của cây. Hầu hết các protein liên quan đến tính kháng bệnh (resistance proteins) đều có cách tiếp cận hợp lý với ký chủ xét về cơ sở hóa sinh hoặc những tín hiệu có tính chất dòng thác (cascades) trong hệ thống tự vệ của cây. Theo nghĩa như vậy, kết quả có thể và không thể tạo ra tính miễn dịch của cây chủ, lớp protease ấy bị khống chế theo cách chọn lọc vô cùng đa dạng, mà chính điều ấy đã làm các nhà khoa học tò mò muốn biết được hệ thống tự nhiên của phát sinh bệnh trong cây chủ. Bài báo cáo này đã tóm tắt lại những vai trò chủ chốt của cysteine proteases trong một vài hệ thống phát sinh bệnh của cây trồng có chọn lọc.

Xem tạp chí khoa học Plant Breed. Biotech. Tháng Sáu 2014; 2:97-109

http://www.plantbreedbio.org/

Hình 1. Vị trí trong tế bào của PLCPs xét theo quan hệ ký sinh và ký chủ của sáu hệ thống chọn lọc khác nhau về pathosystems. Các gen có màu đỏ là PLCP của ký chủ, màu xanh lục là PLCPs của pathogen, màu xanh dương là protein không phái nhóm cysteine protease effectors mà protein này tương tác với  PLCP của ký chủ, màu đen là những protein kháng của ký chủ.

(A) Sự tiết ra  PopP2 vào nhân tế bào cây chủ lấy thêm RD19 từ không bào có tính chất phân giải (lytic vacuoles) và hình thành nên phức của nhân kích hoạt tính kháng RRS1-R (Deslandes và Rivas 2011);

(B và C) Protein Avr2 của C. fulvum và VAP1, Rcr3 của G. rostochiensis, trong cơ quan apoplast để hình thành nên phân tử ligand kích hoạt protein kháng thông dụng nhất Cf-2 (Shindo và van der Hoorn 2008);

(D) AvrRpt2, một PLCP của P. syringae, ức chế RIN4 và kích hoạt RPS2 (Mackey và ctv. 2003);

(E) Phân tử Epic2B effector phóng thích bởi P. infestans rồi ức chế PIP1, một phân tử PLCP của cà chua có từ cơ quan apoplast (Shindo và van der Hoorn 2008);

 (F) B. cinerea, môt vi nấm hoại sinh kích hoạt RD21, một protein PLCP có trong không bào (Shindo và ctv. 2012).

Kiến trúc di truyền của hiệu quả sử dụng lân đối với giống bắp canh tác vùng nhiệt đới trên đất thiếu lân

Tác giả: Flávia F. Mendes, Lauro J. M. Guimarães, João Cândido Souza, Paulo Evaristo O. Guimarães, Jurandir V. Magalhaes, Antonio Augusto F. Garcia,  Sidney N. Parentoni and Claudia T. Guimaraes.

Thiếu lân (P) là yếu tố hạn chế chính đối với sản xuất cây trồng của nhiều quốc gia trên thế giới. Hiểu biết cặn kẽ về các hợp phần di truyền đối với hiệu quả sử dụng lân (PUE: viết tắt từ chữ  P use efficiency) rất cần thiết cho nhà chọn giống để cải tiến tính trạng này trong vùng đất có hàm lượng lân thấp. Cho đến nay, chưa có QTLs nào được lập bản đồ đối với tính trạng PUE sử dụng năng suất hạt và những dữ liệu gần đây nhất về kiểu hình dưới điều kiện canh tác vùng nhiệt đới. Do vậy, các tác giả bài báo này đã đánh giá kiến trúc di truyền của  PUE (genetic architecture) đối với cây bắp canh tác vùng nhiệt đới (Zea mays L.) sử dụng bản đồ phân tích cách quãng kiểu  multiple với quần thể theo “design III” gồm 140 dòng RILs (recombinant inbred lines) được hồi giao với cả dòng bố và dòng mẹ. Các dòng bố mẹ phải tương phản về năng suất và PUE, một chỉ số kiểu hình (phenotypic index) phản ánh hiệu quả hấp thu được lân PAE (P acquisition efficiency) và hiệu quả sử dụng lân PUE (P utilization efficiency). Kết quả nghiên cứu cho thấy các ảnh hưởng có tính trội (dominance) quan trọng hơn các ảnh hu7o3ng có tính cộng (additive) trong giải thích phần trăm biến dị kiểu hình đối với PUE và những tính trạng liên quan của nó. Khoảng 80% QTLs được lập bản đồ đối với tính trạng PAE cùng định vị với PUE, cho thấy hiệu quả hấp thu được lân vào cây bắp PAE là yếu tố xác định chính thức (determinant) của PUE trong điều kiện nhiệt đới. Theo đó, QTLs đối với PUE và PAE đều định vị gần những gen ứng cử viên liên quan đến sự phát triển của rễ theo nghiên cứu trước đây. Do đó, các tác giả đã cung cấp những thông tin quan trọng này phục vụ cho chương trình cải tiến giống bắp thích ứng với sự thiếu lân hiện nay.

Xem tạp chí khoa học Crop Science Vol. 54 No. 4, p. 1530-1538 (ngày 23-6-2014)

https://www.crops.org/publications/cs/abstracts/54/4/1530

Hình 1. Bản đồ liên kết di truyền của những QTLs đối với tính trạng hiệu quả sử dụng P của cây bắp  (Zea mays L.), trên cơ sở hồi giao  của 140 dòng RIL với cả dòng bố và dòng mẹ. Mỗi nhiễm sắc thể (chr), trên marker ở bên phải và khoảng cách di truyền (cM) ở bên trái. Thanh màu chỉ vị trí QTLs đối với tính trạng PUE (phosphorus use efficiency), tính trạng PAE hiệu quả hấp thu được lân (phos-pho-rus ac-quisition efficiency), hoặc tính trạng PUTIL hiệu quả bên trong của cây  sử dụng lân (phos-phorus utilization internal efficiency),. Chiều dài của thanh biểu trưng cho các quãng tin cậy  theo logarithm của số lẻ.