Phân tích transcriptomic để tìm kiếm nguồn gen điều khiển chống chịu mặn gia đoạn hạt nẩy mầm của cây lúa

Nguồn: Xiao Han, Zhihai Wu, Fangbiao Liu, Yu Wang, Xiaoshuang Wei, Ping Tian, Fenglou Ling. 2023. Transcriptomic Analysis and Salt-Tolerance Gene Mining during Rice Germination. Genes (Basel); 2023 Jul 29; 14(8):1556. doi: 10.3390/genes14081556.

Stress mặn là yếu tố ngoại cảnh quan trọng ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển cây trồng. Một trong những cách thức chủ yếu để cải tiến tính chống chịu mặn của cây lúa là xác định được những gen chịu mặn mới có những cơ chế rõ ràng, rồi áp dụng chúng để sáng tạo ra nguồn vật liệu mới phục vụ cho nội dung chọn tạo giống lúa. Trong nghiên cứu này, Giống nhiễm mặn thuộc loại hình japonica, Tong 35 (T35) và giống chống chịu mặn japonica là Ji Nongda 709 (JND709) được sử dụng. Nghiệm thức xử lý mặn: dung dịch 150 mmol/L NaCl (nhóm đối chứng được thử nghiệm không có mặn đồng thời) được tiến hành liên tục cho đến khi vật liệu thí nghiệm được thu thập mẫu khi lúa đã nẩy mầm rồi. Mười ha “cDNA libraries” được tạo ra, 5 “comparator groups” được thiết kế phục vụ kết quả chạy “transcriptome sequencing”. Tính trung bình, 9,57G của dữ liệu thô trình tự DNA được hình thành trên mỗi mẫu thí nghiệm, với so sánh trình tự tham chiếu (reference alignment) đạt trên 96,88%; riêng nối CG chiếm hơn 53,86%. Tổng số gen DEGs là 16.829 (differentially expressed genes) hiện hữu trong 5 nhóm so sánh, Theo đó, có 2390 gen biểu hiện đặc biệt trong mẫu giống lúa T35 (category 1), 3306 gen biểu hiện đặc biệt trong giống lúa JND709 (category 2), và 1708 gen biểu hiện đặc biệt trong cả hai (category 3). Gen DEGs được khống chế đối với GO (gene ontology), phân tích chức năng phong phú (functional enrichment analysis), và phân tích chu trình “Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes” (KEGG), kết quả cho thấy những gen này thuộc về 3 classes chủ lực: chức năng phân tử, thành phần tế bào, và tiến trình sinh học. Kết quả phân tích “KEGG pathway”  cho thấy các chu trình này có ý nghĩa đáng kể đối với những DFGs nói trên bao gồm sinh tổng hợp phenylpropane, truyền tín hiệu của phytohormone, và tương tác giữa cây lúa với những pathogens gây bệnh. Như ve65y, kết quả đã cung cấp tư liệu tham khảo về nghiên cứu cơ chế phân tử làm rõ hơn tính chống chịu mặn của cây lúa ở giai đoạn hạt nẩy mầm.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37628608/

Thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực làm tăng chống chịu nóng ở giai đoạn lúa trổ

Nguồn; Anderson da Rosa Feijó, Vívian Ebeling Viana, Andrisa Balbinot, Marcus Vinicius Fipke, Gustavo Maia Souza, Luciano do Amarante, Luis Antonio de Avila. 2023. Water Deficit at Vegetative Stage Induces Tolerance to High Temperature during Anthesis in Rice. Plants (Basel); 2023 Aug 31; 12(17):3133. doi: 10.3390/plants12173133.

Năng suất cây trồng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố sinh học, phi sinh học khác nhau. Nhìn chung, cây lúa trải nghiệm qua nhiều stress trong chu trình sống của chúng, cây lúa có thể chống chịu với nhiều stress và phát triển cơ chế chống chịu chéo mà thuật ngữ chuyên môn gọi là “cross-tolerance”. Sự gia tăng nồng độ CO₂ trong khí quyển có thể gia tăng “cross-tolerance” như vậy. Thăm dò (priming) là chiến lược làm gia tăng năng suất hoặc duy trì năng suất trong điều kiện cây lúa bị stress. Mục tiêu của tác giả là là đánh giá  nếu “priming” cây lúa bị thiếu nước  ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực có thể kích thích chống chịu stress do nhiệt độ nóng hay không? ở gia đoạn tung phấn (anthesis), đánh giá sự đóng góp của e[CO₂].

Phương pháp: thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối hoàn toàn ngẫu nhiên với kiểu thừa tố (factorial arrangement). Factor A bao gồm nghiệm thức: thiếu nươc ở giai đoạn 4 lá (no-stress, và stress khô hạn), nhiệt độ nóng khi lúa tung phấn (nhiệt độ bình thường, nhiệt độ cao), và “priming” với khô hạn ở gđ bốn lá, với stress nóng ở gđ lúa tung phấn; Factor B có hai nghiệm thức  [CO₂]: đó là a[CO₂] = 400 ± 40 μmol mol^-1 và e[CO₂] = 700 ± 40 μmol mol^-1. Tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các nghiệm thức đối với tăng trưởng, năng suất, những thay đổi về sinh học, về transcriptome.

Cho dù nồng độ e[CO₂] đã ảnh hưởng đến các thông số tăng trưởng của lúa, nhưng nó không ảnh hưởng đến “priming effect”. Cây lúa “primed” cho thấy có sự gia tăng năng suất và số bông trên cây lúa. Cây lúa “primed” biểu hiện điều tiết theo kiểu “up” đối với gen OsHSP16.9A, OsHSP70.1, và OsHSP70.6. Kết quả biển hiện cái gọi là “cross-tolerance”.

Như vậy, thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực làm giảm ảnh hưởng của stress nhiệt độ nóng ở gia đoạn sinh dục của cây lúa. Thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực có thể được áp dụng, sau những thử nghiệm tích cực ngoài đồng, để làm giảm ảnh hưởng của stress nóng khi lúa trổ bông.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37687380/

Chuyển nạp thông qua vi khuẩn Agrobacterium rhizogenes trong hạt cây có múi nhằm tìm hiểu chức năng gen đích

Nguồn: Min Wang, Yang-Yang Qin, Nan-Nan Wei, Huan-Ying Xue, Wen-Shan Dai. 2023. Highly efficient Agrobacterium rhizogenes-mediated hairy root transformation in citrus seeds and its application in gene functional analysis. Front. Plant Sci.; October 31 2023; Vol. 14;  https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1293374

Công nghệ chuyển nạp gen có hiệu quả cao là điều hết sức thuận lợi trong nghiên cứu gen có chức năng và trong chọn tạo giống cây trồng cải tiến mang tính chất phân tử. Tuy nhiên, công nghệ này trong sử dụng vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens để chuyển gián tiếp đòi hỏi quá nhiều thời gian và rất khó (recalcitrant) đối với cây thân gỗ như cây có múi (citrus), cản trở phân tích chức năng có hiệu quả cao đối với các gen của cây citrus. Do đó, người ta đã dành riêng để phát triển hệ thống chuyển nạp vừa nhanh, vừa đơn giản,  và hiệu quả cao, thuật ngữ chuyên môn là “hairy root transformation” kích hoạt bởi vi khuẩn Agrobacterium rhizogenes để phân tích chức năng gen cây có múi. Trong đây, một hệ thống chuyển nạp gen nhanh, đơn giả, hiệu quả, mang tính chất phổ biến được mô tả. Chỉ 15 ngày cần thiết người ta có thể thực hiện toàn bộ quy trình và hệ thống này được áp dụng cho nhiều giống cây có múi khác nhau, với tần suất chuyển nạp tối đa là 96,1%. Sau khi tối ưu hóa, tần suất chuyển nạp cây cam Citrus sinensis, với tần suất chuyển nạp thấp nhất là 52,3% trong 4 giống citrus ngay khi bắt đầu, đã thành công 71,4%. Xét nghiệm khả năng ứng dụng của hệ thống “hairy roots transformation” đối với phân tích gen chức năng của cây có múi, người tiến hành đánh giá vị trí trong “subcellular”, biểu hiện mạnh mẽ của gen đích và chỉnh sửa gen trong kỹ thuật chuyển nạp “hairy roots”. So với phương pháp truyền thống “hệ thống chuyển nạp transient” được hoàn thiện trên lá cây thuốc lá, kỹ thuật chuyển nạp “hairy roots” trên cây có múi cho kết quả rõ ràng hơn và chuyên tính hơn theo kết quả định vị trí bằng huỳnh quang tại “specific subcellular”. Mức độ các phân tử transcript của các gen tăng lên đáng kể khi có sự biểu hiện mạnh mẽ “transgenic citrus hairy roots” so vo71o cây nguyên thủy (WT: wild-type). Như vậy, hệ thống chuyển nạp “hairy root” trong hạt cây có múi cho kết quả cây transformants thành công với gen đích được “knocked out”, chỉ ra rằng chuyển nạp thồng qua vi khuẩn Agrobacterium rhizogenes có thể đi với chỉnh sửa gen hệ thống CRISPR/Cas9. Tóm lại, người ta đã thành công với công nghệ chuyển nạp gen có hiệu quả qua mà không cần nuôi cấy mô trong citrus; công nghệ này có thể sử dụng để phân tích gen chức năng ví dụ như tìm “protein subcellular localization”, biểu hiện mạnh mẽ gen đích và chỉnh sửa gen. Nguồn vật liệu phục vụ chuyển nạp gen là rễ nhô ra khỏi hạt cam quýt, tiến trình trọng cây seedlings có ưu thế hơn trong chuyển nạp như vậy của nuôi cấy mô truyền thống hoặc không cần nuôi cấy mô cũng được, thời gian thí nghiệm giảm đi rất nhiều. Chúng tôi dự đoán công nghệ này sẽ là một công cụ có giá trị cho nghiên cứu thông dụng các gen của citrus trong tương lai.

Xem https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2023.1293374/full

QTL điều khiển tính chống chịu khô hạn của cây đậu cô ve

Nguồn: Swivia M. Hamabwe, Nicholas Amimo Otieno, Alvaro Soler-Garzón, Phillip N. Miklas, Travis Parker, David M. Kramer, Abhijnan Chattopadhyay, Pride Cheelo, Kuwabo Kuwabo & Kelvin Kamfwa. 2023. Identification of quantitative trait loci for drought tolerance in Bukoba/Kijivu Andean mapping population of common bean. Theoretical and Applied Genetics November 2023; vol. 136, Article number: 222

Những “hotspots” của các QTLs đối với chống chịu khô hạn đã được người  ta phân lập thành công trên nhiễm sắc thể Pv06, Pv07 và Pv10 của hệ gen cây đậu cô ve (common bean).

Khô hạn là hạn chế cực lớn đối với đậu cô ve, tên khoa học là Phaseolus vulgaris L.  trên toàn thế giới. Mục tiêu nghiên cứu là xác định được QTL điều khiển chống chịu khô hạn trong tập đoàn giống đậu Andean với quần thể con lai RILs (cận giao tái tổ hợp. Có 155 dòng con lai dẫn suất từ F5:7 RILs thuộc cặp lai Kijivu (chịu hạn) và Bukoba (nhiễm khô hạn) được đánh giá kiểu hình chống chịu khô hạn trên đồng ruộng và trong chậu thí nghiệm. Bốn thí nghiệm trên đồng ruộng được bố trí  tại 3 địa điểm ở Zambia vào năm 2020 và 2021. Tất cả thí nghiệm trên đồng ruộng đều được bố trí trong mùa khô, không tưới. Quần thế con lai gồm 155 RILs được đánh giá kiểu gen với 11.292 chỉ thị SNPs, thực hiện CIM (composite interval mapping) để xác định QTL điều khiển chống chịu hạn. Năng suất hạt của Kijivu khi bị stress khô hạn đều cao hơn giống Bukoba ở 4 thí nghiệm trên ruộng. Có tất cả 60 QTL được phân lập đối với tính trạng hình thái, nông học, và sinh lý khi có stress khô hạn và đối chứng không khô hạn. Tuy nhiên, đặc điểm của những QTL này là chuyên biệt với stress khô hạn. Những QTL “hotspots” của chống chịu khô hạn được xác định trên nhiễm sắc thể Pv06, Pv07, và Pv10. Đồng vị trí trên diện rộng (extensive co-localizations) của những tính trạng nông học và hình thái học khi có stress khô hạn được quan sát trên 3 QTL hotspots. Bên cạnh đó, ba QTL hotspots này trùng lấp với những QTL đã được xác định trước đây điều khiển chống chịu hạn, trong khi nhiều QTL khác là kết quả phân lập. Ba QTL hotspots vừa phân lập này có thể được sử dụng trong chọn giống nhờ marker trong tương lai để cải tiến giống đậu cao sản chống chịu đyược khô hạn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04463-2