Phân lập loci điều khiển miên trạng hạt bắp

Nguồn: Xiaolin Ma, Liqing Feng, Anyan Tao, Tinashe Zenda, Yuan He, Daxiao Zhang, Huijun Duan & Yongsheng Tao. 2023. Identification and validation of seed dormancy loci and candidate genes and construction of regulatory networks by WGCNA in maize introgression lines. Theoretical and Applied Genetics December 2023; vol. 136, Article number: 259

Người ta thu thập được 17 PHS-QTLs và gen ứng cử viên, gồm có loci chủ lực, 3 loci chịu ảnh hưởng của ngoại cảnh và 2 loci có đồng vị trí với kết quả nghiên cứu trước đây về bản đồ di truyền. Chức năng của 3 gen ứng cử viên được người ta minh chứng bằng phương pháp đột biến (các mutants); 9 proteins đích và 5 hệ thống gen được sàng lọc theo phương pháp GWAS và WGCNA.

Miên trạng SD (Seed dormancy) và tính trạng hạt nẩy mầm trước khi thu hoạch PHS (pre-harvest sprouting) đều có ảnh hưởng đến năng suất, cũng như phẩm chất hạt lai trong công nghệ sản xuất hạt giống bắp lai. Do vậy, việc xác định bản chất di truyền là sự điều tiết đối với tính trạng PHS và SD là chìa khóa của phân tích chức năng gen đích, khai thác nguồn biến dị di truyền  và cải tiến di truyền. Kết quả cho thấy có 78.360 chỉ thị SNPs thông qua phương pháp SLAF-seq của 230 dòng con con lai ILs (chromosome segment introgression lines), tính trạng PHS qua 5 địa điểm khảo nghiệm với phân tích GWAS (genome wide association study) (a threshold of 1/n), và người ta thấy có 17 QTLs chưa được báo cáo trước đây, gắn liền với tính trạng PHS, bao gồm 11 QTLs với PVE > 10% (giải thích biến thiên kiểu hình); 3 QTLs tương tác với môi trường. Hai QTL loci đồng vị trí giữa hai phương pháp lập bản đồ di truyền. Người ta áp dụng phương pháp DEGs (differential gene expression analyses) vào hai giai đoạn phát triển của hạt bắp, phân tích chức năng gen của dòng đột biến Arabidopsis, và phân tích chức năng gen trong vùng chứa QTL mục tiêu, có 17 gen ứng cử viên gắn với QTLs  điều khiển  tính trạng PHS, có 5 hệ thống điều tiết ở mức độ phân tử (molecular regulatory networks) được hình thành. Trên cơ sở kết quả đột biến Arabidopsis T-DNA, có 3 gen ứng cử viên biều hiện điều tiết tính trạng SD và PHS. Trong khi đó, kết quả RNA-seq của phát triển hạt, kết quả phân tích “weighted correlation network” (WGCNA), cho thấy có 5 chu trình điều tiết với các gen đích điều tiết tính trạng PHS và SD. Dựa trên phân tích kết hợp giữa GWAS và WGCNA, có 4 lộ trình, 9 proteins đích và những gen mục tiêu đã được lộ dần ra, hầu hết, chúng điều rhòa cơ chế biến dưỡng thành tế bào, sự nhân lên tế bào và chống chịu sự mất nước của hạt giống. Đây mới chính là ý nghĩa lý luận và thực tiễn vô cùng quan trọng nhằm làm rõ cơ sở di truyền của tính trạng PHS và SD của cây bắp, cũng như khai thác nguồn gen có ích và cải tiến di truyền tính trạng nói trên.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04495-8

Di truyền tính trạng phẩm chất dinh dưỡng hạt gạo

Nguồn: Jebi Sudan, Uneeb Urwat, Asmat Farooq, Mohammad Maqbool Pakhtoon, Aaqif Zaffar, Zafir Ahmad Naik, Aneesa Batool, Saika Bashir, Madeeha Mansoor, Parvaze A Sofi, Najeebul Ul Rehman Sofi, Asif B Shikari, Mohd Kamran Khan, Mohammad Anwar Hossain, Robert J Henry, Sajad Majeed Zargar. 2023. Explicating genetic architecture governing nutritional quality in pigmented rice. PeerJ.; 2023 Sep 11: 11:e15901. doi: 10.7717/peerj.15901

Lúa là một trong những loài cây lương thực cực kỳ quan trọng cung cấp nguồn calories và dinh dưỡng để giải quyết chỉ số đói toàn cầu trong các nước đang phát triển. Theo phổ dinh dưỡng phổ dinh dưỡng, hạt gạo có màu (pigmented rice grains) được ưa chuộng vì ưu điểm của chúng về dinhd ưỡng và sức khỏe cho nhân loại. Giống lúa có gạo sậm màu rất giàu flavonoids, anthocyanin và pro-anthocyanidin, chúng có thể sẵn sàng phục vụ chế độ ăn kiêng để giúp cho giải quyết nhiều căn bệnh do cuộc sống này phát sinh. Tuy nhiên, canh tác giống lúa có màu hạt khá hạn chế bởi năng suất thấp  và phẩm chất nấu cơm không mấy thuận lợi. Với thế mạnh hiện nay của “genome sequencing”, chọn giống phân tử, phân tích biểu hiện gen và thành tựu có tính chất “multi-omics”, rất nhiều cố gắng trong kiến trúc di truyền của sự hình thành màu sắc hạt gạo. Bài tổng quan này đã tập họp biên soạn những kiến thức cập nhật về kiến trúc di truyền và giá trị dinh dưỡng của sắc tố hạt gạo dựa trên bằng chứng thực nghiệm sẵn có. Những nghiên cứu trong tương lai sẽ có thể giúp cho hiểu biết này càng sâu sắc hơn và giúp cho việc khai thác hiệu quả kinh tế và hiệu quả sức khỏe trong khai thác thành tựu của hạt gạo có màu.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37719119/

Gen điều tiết sinh tổng hợp tinh bột trong nội nhũ thông qua nhiều yếu tố phiên mã, chữ viết tắt hàm lượng amylose (AC), eating & cooking quality (ECQ: phẩm chất cơm), nutritional quality (NQ: phẩm chất dinh dưỡng) và appearance quality (AQ: chất lượng ngoại hình), granule-bound starch synthase (GBSS), soluble starch synthase (SS) và starch branching enzymes (SBE).

Chính sửa gen nodulin-like 3 (MusaENODL3) giúp chuối kháng bệnh “Xanthomonas wilt”

Nguồn: Valentine Otang Ntui, Jaindra Nath Tripathi, Trushar Shah, Leena Tripathi. 2023. Targeted knockout of early nodulin-like 3 (MusaENODL3) gene in banana reveals its function in resistance to Xanthomonas wilt disease. Plant Biotechnology Journal; First published: 28 November 2023; https://doi.org/10.1111/pbi.14248

Protein có tên là nodulins và nodulin-like proteins có vai trò cực kỳ thiết yếu trong hợp tác cộng sinh giữa cây họ đậu và vi khuẩn Rhizobium. Vai trò của chúng phát triển vượt ra ngoài ranh giới cây họ đậu, vì có nhiều nodulin-like proteins, bao gồm ENOL (early nodulin-like proteins), được người ta phân lập trong nhiều loài cây không phải họ đậu, ngụ ý bao gồm các chức năng bên ngoài nốt sần (nodulation), ví dụ như vận chuyển chất dinh dưỡng và điều chế tăng trưởng. MỘt vài phân tử protein ENODL gắn kết với hệ thống tự vệ của cây chống lại được pathogens xâm nhiễm, như trường hợp cây chuối bị xâm nhiễm bởi vi khuẩn Xanthomonas campestris pv. musacearum (Xcm) làm cây chuối bị bệnh héo rũ với thuật ngữ chuyên môn là “Xanthomonas wilt” (BXW). Tuy nhiên, vai trò đặc biệt của ENODL trong hệ thống tự vệ thực vật chưa được biết rõ. Gen MusaENODL3 được người ta tìm thấy bị ức chế trong tổ tiên của giống chuối BXW-resistant với tên khoa học là ‘Musa balbisiana’ và gen này được điều tiết theo kiểu “up” thống qua kết quả “20-fold upregulated” trong giống chuối nhiễm BXW, giống ‘Gonja Manjaya’ khi bị nhiễm bệnh sớm với Xcm. Để làm sáng tỏ hơn nữa vai trò của gen  trong điều khiển tính kháng bệnh, người ta tiến hành chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR/Cas9  để làm “phá vỡ” gen MusaENODL3 của giống ‘Gonja Manjaya’ một cách chính xác. Phân tích gen lặn enodl3 - sự kiện được chỉnh sửa làm rõ thao tác cực kỳ chính xác của gen MusaENODL3. Tính kháng bệnh và kết quả phân tích biểu hiện gen chứng minh rằng kỹ thuật chỉnh sửa gen MusaENODL3 giúp tạo ra cây chuối kháng bệnh BXW, trong đó, 50% cây được chỉnh sửa gen vẫn duy trì bản chất asymptomatic (không có triệu chứng khác thường về các tính trạng nông học). Việc xác định và thao tác kỹ thuật đối với gen MusaENODL3 cho thấy tiềm năng của tương tác giữa ký chủ và ký sinh, mang lại cơ hội mới để tăng cường tính kháng bệnh của cây trồng như cây chuối, loài cây lương thực chính và là nguồn lợi của những nông dân nghèo ở vùng nhiệt đới.  Kết quả này cung cấp lần đầu tiên chứng cớ về vai trò trực tiếp của gen ENODL3 trong phát triển cây trồng kháng bệnh.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14248

Figure 3: Sơ  dồ của gen MusaENODL3 và thiết kế vec tơ CRISPR/Cas9 để chỉnh sửa gen cây chuối. (a, b) Kiến trúc của gen MusaENODL3 trong genome A và genome B thược loài Musa accuminata và loài Musa balbisiana, theo thứ tự, Vị trí của gRNAs. Hộp màu vàng cam biệu trưng exons; con số biểu trưng số exon; đường thẳng là introns. Trình tự gRNAs và PAM (Protospacer Adjacent Motif) biểu thị màu đỏ và xanh dương, theo thứ tự. Primer được dùng trong sequencing. (c) Bản đồ vùng chứa T-DNA của binary vector pMDC32-Cas9-MusaENODL3. 2 × 35S P, double CaMV35S promoter; 35S P, CaMV35S promoter; 35S T, CaMV35S terminator; hpt, hygromycin phosphotransferase gene; LB, left border; NOST, Nopaline synthase terminator; OsU6 p, Oryza sativa U6 promoter; RB, Right border.

Di truyền tính trạng độ bạc bụng hạt gạo

 Nguồn: Xing Huo, Jian Wang, Luo Chen, Hua Fu, Tifeng Yang, Jingfang Dong, Yamei Ma, Lian Zhou, Jiansong Chen, Dilin Liu, Bin Liu, Junliang Zhao, Shaohong Zhang, Wu Yang. 2023. Genome-wide association mapping and gene expression analysis reveal candidate genes for grain chalkiness in rice. Front Plant Sci.; 2023 Apr 14: 14:1184276. doi: 10.3389/fpls.2023.1184276.

Độ bạc bụng hạt gạo là yếu tố chính quyết định giá trị thị trường khi mua bán gạo. Làm giảm độ bạc bụng là mục tiêu quan trọng trong cải tiến giống lúa cao sản có phẩm chất gạo tốt. Xác định những QTLs hoặc những gen điều khiển tính trạng bạc bụng là điều kiện tiên quyết trong chọn giống phân tử (molecular breeding) của cây lúa. Ở đây, người ta thực hiện GWAS (genome-wide association study) để xác định được những QTLs gắn liền với tính trạng bạc bụng của hạt gạo, bao gồm phần trăm hạt bị bạc bụng (PGWC) và mức độ bạc bụng trong nội nhũ (DEC: degree of endosperm chalkiness). Tập đoàn lúa bao gồm 450 mẫu giống, với 300 mẫu giống lúa indica và 150 mẫu giống lúa japonica rice được khảo nghiệm tại 2 địa điểm. Có tất cả 34 QTLs được phân lập, bao gồm 14 QTLs đối với tính trạng PGWC và 20 QTLs đối với tính trạng DEC. Trong đó, có 7 QTLs phổ biến được tìm thấy ở cả hai địa điểm khảo nghiệm, có 8 QTLs quan hệ cùng một lúc với hai tính trạng. Trên cơ sở kết quả phân tích haplotype, phân tích “LD decay”, kết quả chạy RNA-sequencing, kết quả xác định qRT-PCR và so sánh haplotype, người ta ghi nhận có 4 gen (LOC_Os10g36170, LOC_Os10g36260, LOC_Os10g36340 và LOC_Os10g36610) được xem như gen ứng cử viên đối với qDEC-10c^1w,2wj , chúng được phân lập ở cả hai địa điểm khảo nghiệm và có ý nghĩa thống kê sinh học cao nhất trong những QTLs mới được xác định. Kết quả này là luận cứ mới về cơ sở di truyền của tính trạng độ bạc bụng hạt gạo và cung cấp nguồn gen để phục vụ chương trình cải tiến giống lúa phẩm chất gạo tốt bằng “molecular breeding”.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37123865/

Hình: Bản đồ di truyền QTL đối với tính trạng PGWC và DEC thông qua GWAS. Những QTL định vị cùng vị trí được khoanh trong khung hộp có đường chấm chấm. Những chữ cái trên cùng (w, i và j) gắn với 3 quần thể (quần thể chung, quần thể indica và quần thể japonica, theo thứ tự). Ví dụ, qDEC-10c ^1w,2wj biểu thị rằng qDEC-10c có thể được xác định tại 2016GZ bởi quần thể chung và 2018YJ bởi quần thể chung và quần thể japonica.