Di truyền tính chống chịu khô hạn của cây lúa

Nguồn: Zilong Guo, Shouchuang Wang, Feng Zhang, Denghao Xiang, Jun Yang, Dong Li, Baowei Bai, Mingqiu Dai, Jie Luo, Lizhong Xiong. 2024. Common and specific genetic basis of metabolite-mediated drought responses in rice. Stress Biol.; 2024 Jan 23; 4(1):6. doi: 10.1007/s44154-024-00150-4.

Cây điều phối phản ứng với với khô hạn ở mức độ biến dưỡng, nhưng cơ chế di truyền về cách điều phối ấy vẫn còn mù mờ trong cây lúa. Nghiên cứu tiến hành với 233 DRMs (drought-responsive metabolites) chất biến dưỡng có liên quan đến phản ứng khô hạn được định tính trong tập đoàn giống lúa khá lớn với 510 mẫu giống đa dạng, xét nghiệm khô hạn ở giai đoạn sinh dục. Biến thiên rất lớn các biến dưỡng khi cây lúa phản ứng với khô hạn được tìm thấy, và có rất ít tương quan tính theo mức độ biến dưỡng giữa nghiệm thức khô hạn và bình thường. Đáng chú ý là, hầu hết những DRMs này có thể dự đoán được tính kháng hạn với độ chính xác cao. Áp dụng GWAS với 2522 tín hiệu kết hợp có ý nghĩa đối với 233 chất biến dưỡng DRMs, có 98% (2471/2522) tín hiệu mang tính chất đồng vị trí với nhiều loci gắn kết với kiểu hình chống chịu hạn trong cùng một quần thể cây lúa hoặc những QTLs trên bản đồ di truyền liên kết tính trta5ng kháng hạn trong nhiều quần thể khác nhau. Có tổng cộng 10 gen ứng cử viên được phân lập đối với 9 chất biến dưỡng DRMs, bảy gen gắn với cis-eQTLs trong nghiệm thức xử lý khô hạn. Trên cơ sở GWAS có tính so sánh của những DRMs chung nhất của lúa và bắp, đặc trưng cho cây trồng có tưới và cây trồng cạn, người ta xác định được ba cặp gen đồng dạng gắn với ba chất biến dưỡng DRMs giữa hai loài cây trồng nói trên. Trong những gen đồng dạng ấy, một gen mã hóa transferase  có nhiệm vụ tạo biến thể các biến dưỡng của nhóm N-feruloylputrescine được người ta xác địnhlà tăng cường tính chịu hạn của cây lúa. Kết quả này không những xác định kiến trúc di truyền của phản ứng biến dưỡng với stress khô hạn và còn là nguồn dữ liệu biến dưỡng chỉ ra những phản ứng biến dưỡng với khô hạn theo kiểu chung nhất và theo kiểu chuyên biệt của nhiều cây trồng khác nhau different crops.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38253937/

Hệ thống bảo vệ cây lúa kháng rầy nâu bởi phân tử circRNA

Nguồn: Hou-Hong Yang, Ya-Xuan Wang, Jing Xiao, Yi-Fan Jia, Fang Liu, Wei-Xia Wang, Qi Wei, Feng-Xiang Lai, Qiang Fu, Pin-Jun Wan. 2024. Defense Regulatory Network Associated with circRNA in Rice in Response to Brown Planthopper Infestation. Plants (Basel); 2024 Jan 26; 13(3):373. doi: 10.3390/plants13030373.

Rầy nâu (BPH), Nilaparvata lugens (Stål), là sâu hại lúa nghiêm trọng, đứng đầu trong danh sách sâu bệnh hại trong những năm gần đây. Tính kháng rầy nâu của cây chủ là chiến lược có hiệu quả nhất trong quản lý BPH. Tuy nhiên, tính kháng BPH của các giống lúa không chịu nổi sự xuất hiện của những quần thể rầy nâu có độc tính khác biệt. Phân tử “circular RNAs” (circRNAs) đóng vai trò vô cùng cần thiết trong điều hòa tương tác giữa cây lúa với môi trường; tuy nhiên, những cơ chế như vậy về chức năng kháng của côn trùng vẫn chưa được khai thác bao nhiêu. Nghiên cứu đã tiến hành một phân tích có tính chất “genome-wide” thông qua chạy trình tự kỹ thuật cao để khai thác phản ứng của phân tử “rice circRNAs” khi bị rầy nâu xâm nhiễm. Có tất cả 186 circRNAs trong giống lúa IR56 với hai nhóm độc tính khác nhau: IR-IR56-BPH (liên quan đến lúa IR bị xâm nhiễm bởi IR56-BPH) và IR-TN1-BPH, có trong nhóm đối chứng (IR-CK) không bị xâm nhiễm bởi rầy nâu. Trong số đó, 39 phân tử circRNAs điều tiết kiểu “up”, 43 phân tử circRNAs điều tiết kiểu “down” khi người ta so sánh giữa IR-IR56-BPH và IR-CK. Hơn nữa, khi so sánh với IR-CK, có 42 phân tử circRNAs biểu hiện điều tiết kiểu “up”  trong IR-TN1-BPH, bên cạnh, có 42 phân tử circRNAs điều tiết kiểu “down”. Phân tích với phần mềm Gene Ontology and Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes enrichment cho thấy những mục tiêu của phân tử differentially expressed circRNAs dường như rất phong phú trong nhiều tiến trình sinh học liên kết rất gần với  phản ứng khi bị rầy nâu xâm nhiễm. Hơn nữa, kết quả đánh giá 20 phân tử circRNAs chọn ngẫu nhiên có những mức độ biểu hiện đa dạng tương ứng. Bên cạnh đó, người ta minh chứng tác động của điều tiết bởi phân tử circRNAs trên phân tử miRNAs và mRNAs. Kết quả cho phép chúng ta thiết kế mô phỏng khái niệm là phân tử circRNA được gắn kết với  hệ thống bảo vệ có điều tiết trong cây lúa, nó cho phép thực hiện nhờ sự trung gian của gen từ bố mẹ và cạnh tranh mạng lưới RNA nội sinh (ceRNA). Mô phỏng này góp phần giúp người ta hiểu được nhiều tiến trình thâm cứu trong tương tác giữa cây lúa và rầy nâu.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38337906/

Hạt gạo tích hợp tế bào động vật: Con đường tắt, dẫn đến lương thực bền vững

Nguồn: Sohyeon Park, Milae Lee, Sungwon Jung, Hyun Lee, Bumgyu Choi, Moonhyun Choi, Jeong Min Lee, Ki Hyun Yoo, Dongoh Han, Seung Tae Lee, Won-Gun Koh, Geul Bang, Heeyoun Hwang, Sangmin Lee, Jinkee Hong. 2024. Rice grains integrated with animal cells: A shortcut to a sustainable food system. Cell; February 14 2024; https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.01.015

Sự phát triển lương thực cho tương lai là một nhiệm vụ tất yếu để nhân loại ổn định. Không may là, những ứng cử viên lương thực tương lai được báo cáo cho tới bây giờ có quá nhiều hạn chế theo ý nghĩa thương mại hóa, ví dụ mất cân đối dinh dưỡng, mùi vị lạ lẫm, và khả năng định hình kém. Theo đó, nghiên cứu đã đề xuất việc phát triển một thành phần thực phẩm mới trong đó hạt gạo, có phủ lớp nano, và những tế bào động vật được tích hợp vào. Những đặc điểm của thực phẩm này và giá trị của thịt trên cơ sở gạo được thảo luận, người ta đáng giá tiềm năng của chúng như những thành phần thực phẩm bền vững. Kết quả này  cung cấp những ý tưởng khả thi để sáng tạo những loại hình khác nhau của thực phẩm tương lai có tính chất “hybrid”. Trong tương lai, hệ thống tự cung của thực phẩm hybrid trên cơ sở hạt như vậy có thể đảm bảo cứu trợ lương thực ở các nước kém phát triển, khi có chiến tranh, và khi ở xa nơi cung cấp thực phẩm.

Một chiến lược phát triển thực phẩm hybrid giàu dinh dưỡng bằng hạt gạo được hỗ trợ bởi công nghệ phủ hạt “nanocoating” cộng với tế bào của bò sẽ cho ra hệ thống thực phẩm bền vững đã được ghi nhận. Hạt gạo là nguyên liệu thực phẩm an toàn với tỷ lệ dị ứng thấp và có phổ dinh dưỡng rộng, cấu trúc thích hợp cho nuôi cấy tế bào 3D. Một lớp phủ ăn được là gelatin của cá cộng các enzymes thực phẩm mang lại mối quan hệ cao giữa hạt gạo và tế bào, cải tiến sự bền của kiến trúc hạt gạo đối với khả năng gia tăng của tế bào. Khả năng của hạt gạo như khung mang tế bào (cell scaffolds) được minh chứng bởi nghiên cứu tương tác giữa màng phủ, hạt, và tế bào. Hạt gạo này được chuyển thành thực phẩm hybrid với dinh dưỡng của động vật thông qua những tế bào của bò có tổ chức tinh vi. Người ta thảo luận những đặc điểm của thực phẩm này và giá trị sản xuất của “thịt gạo” để đánh giá tiềm năng của nó như một thực phẩm bền vững đảm bảo cho tình trạng khủng hoảng lương thực nếu có và sự ấm lên toàn cầu.

Xem https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(24)00016-X

Một loại nguyên liệu thực phẩm mới có thể vượt qua cuộc khủng hoảng lương thực của nhân loại đã được tạo ra

Di truyền tính trạng chống chịu mặn từ loài lúa hoang

Nguồn: Guntupalli Padmavathi, Umakanth Bangale, K Nagendra Rao, Divya Balakrishnan, Melekote Nagabhushan Arun, Rakesh Kumar Singh, Raman Meenakshi Sundaram. 2024. Progress and prospects in harnessing wild relatives for genetic enhancement of salt tolerance in rice. Front Plant Sci.; 2024 Jan 31: 14:1253726. doi: 10.3389/fpls.2023.1253726. 

Stress mặn là stress phi sinh học thứ hai có tác động và hạn chế sản lượng thóc toàn cầu. Sự tiến bộ di truyền về tính chống chịu mặn cây lúa là triển vọng và là cách tiếp cận kinh tế nhất đảm bảo năng suất lúa trong vùng bị nhiễm mặn xảy ra. Cải tiến giống lúa chống chịu mặn là thách thức lớn bởi vì sự phức tạp về di truyền  khi cây lúa phản ứng với mặn, vì nó bị điều khiển bởi nhiều gen thứ yếu có hệ số di truyền thấp (low heritability) và tương tác G × E cao. Rất nhiều yếu tố sinh lý và sinh hóa phức tạp can thiệp vào cơ chế này. Việc chọn lọc tiêu tốn nhiều công sức cũng như những cố gắng trong chọn tạo giống nhằm cải tiến năng suất hạt trong kỷ nguyên “cách mạng xanh” vô tình dẫn đến sự biến mất dần các loci điều khiển tính chống chịu mặn và có một sự suy giảm đáng kể biến dị di truyền trong các giống lúa trồng hiện nay. Việc sử dụng có giới hạn nguồn di truyền và cơ sở di truyền quá hẹp như vậy của các giống lúa cải tiến đã và đang dẫn đến một nền tảng nghèo nàn phản ứng với chống chịu mặn trong nhiều giống lúa mới.

Loài hoang dại (wild species) là nguồn tài nguyên di truyền tuyệt vời làm mở rộng cơ sở di truyền của giống lúa bản địa được thuần hóa. Khai thác những gen mới ấy của họ hàng lúa hoang chưc được sử dụng đúng mức để phục hồi các loci chống chịu mặn bị mất đi trong tiến trình thuần hóa; có thể mang lại hiệu quả chọn lọc di truyền có ý nghĩa trong giống lúa trồng. Loài hoang dại của cây lúa, Oryza rufipogon và Oryza nivara, đã được khai thác trong quá trình phát triển một vài giống lúa cải tiến như Jarava và Chinsura Nona 2. Bên cạnh đó, việc tiếp cận ngày càng tăng đối với thông tin giải trình tự và kiến thức cũng tăng thêm về genome học của tính chống chịu mặn từ loài hoang dại gần gủi, chúng cung cấp cơ hội để khai thác hiệu quả mẫu giống lúa hoang trong các chương trình lai tạo giống mới, trong khi đó, người ta phải khắc phục những rào cản do tính chất không tương thích khi lai và những rào cản vởi liên kết với tính trạng xâu (linkage drag) khi lai lúa trồng với lúa hoang. Nguồn vật liệu mang tên “pre-breeding” là một đại lộ cho phép vật liệu xây dựng sẵn sàng phục vụ chương trình cải tiến giống mới. Mội nỗ lực phải tập trung vào thu thập nguồn vật liệu có hệ thống, đánh giá, định tính và giải mã cơ chế chống chịu mặn của dòng lúa du nhập gen đích từ lúa hoang, rồi khai thác các các loci mới đề cải tiến chống chịu mặncủa giống lúa. Tổng quan này tóm lược khả năng của loài lúa hoang Oryza nhằm tăng cường tính chống chịu mặn, theo dõi tiến bộ công việc chọn giống và đưa ra những luận điểm nghiên cứu trong tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38371332/

Nguồn gen của cây lúa từ loài lúa hoang dại và loài thực vật có quan hệ gần với lúa.