Thiết kế giống đậu phụng tương lai: khả năng của chọn giống nhờ genomics

Nguồn: Ali Raza, Hua Chen, Chong Zhang, Yuhui Zhuang, Yasir Sharif, Tiecheng Cai, Qiang Yang, Pooja Soni, Manish K. Pandey, Rajeev K. Varshney & Weijian Zhuang. 2024. Designing future peanut: the power of genomics-assisted breeding. Theoretical and Applied Genetics; March 2024; vol.137; article 66

Tích hợp các phương pháp GAB (genomics-assisted breeding) với kỹ thuật cao trong đánh giá kiểu hình, chỉnh sửa hệ gen, và tăng tốc cải tiến giống là tiềm năng to lớn trong thiết kế giống đậu phụng thông minh của tương lai đáp ứng với thị trường và nhu cầu cung ứng thực phẩm.

Giống đậu phụng trồng trọt (Arachis hypogaea L.), là loài cây họ Đậu có giá trị lớn  trong dinh dưỡng, dầu ăn, và thực phẩm chăn nuôi, đậu phụng được canh tác rộng khắp trên toàn thế giới. Cho dù trong nhiều thập kỷ người ta đã cố gắng tiến hành cải tiến giống truyền thống, năng suất thực tế trên ruộng của cây đậu phụng vẫn thấp dưới năng suất lý thuyết do sự tương tác phức tạp của kiểu gen, môi trường và các yếu tố quản lý, cũng như sự tương tác phức tạp của chúng. Tích hợp nhiều công cụ genomics mới trong cải tiến giống rất cần thiết để đạt hiệu quả nhân giống nhanh và tiến bộ kỹ thuật nhanh. Khi tích hợp các phương pháp cải tiến giống nhanh, sự tích hợp này có thể thúc đẩy nhanh đáng kế quá trình chọn giống, dẫn đến nông dân sẽ được tiếp cận giống mới nhanh hơn. Việc sẵn sàng các hệ gen tham chiếu có chất lượng cao đối với tổ tiên hoang dại lưỡng bội và giống đậu phụng bản địa đã và đang thúc đẩy tích cực quá trình tìm thấy các gen đích hoặc QTL đích, phát triển chỉ thị phân tử và phương pháp xét nghiệm kiểu gen cũng như một ít sản phẩm chọn giống bằng phân tử ra đời, cải tiến tính kháng bệnh và nâng cao phẩm chất dầu ăn. Sử dụng những công cụ chọn giống mới, e.g., sàng lọc di truyền (genomic selection), chọn dựa trên haplotype (haplotype-based breeding), chọn giống nhanh (speed breeding), đánh giá kiểu hình hiệu quả cao (high-throughput phenotyping), và chỉnh sửa hệ gen (genome editing), có thể giúp chúng ta  đạt được hiệu quả chọn lọc (GA%) cao trong cây đậu phụng. Hơn nữa, sự chú ý mới đối với hiệu quả chọn lọc và khai thác nguồn tài nguyên di truyền mục tiêu cũng cần thiết để thiết kế nên giông đậu phụng tương lai chất lượng tốt, năng suất cao với nhiều thuộc tính thích nghi chủ lực. Theo ý nghĩa như vậy, kết hợp GAB, genome editing, và speed breeding có tiềm năng vĩ đại trong thiết kế nói trên đối với cải tiến giống đậu phụng đáp ứng được yêu cầu thị trường và người tiêu dùng.

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04575-3

Bản đồ phân giải cao “đoạn nhiễm sắc thể 530-kb” dẫn xuất từ đậu phụng hoang dại góp phần vào tính kháng bệnh đốm lá muộn

Nguồn: Jiaowen Pan, Xiaojie Li, Chun Fu, Jianxin Bian, Zhenyu Wang, Conghui Yu, Xiaoqin Liu, Guanghao Wang, Ruizheng Tian, Xiaofeng Song, Changsheng Li, Han Xia, Shuzhen Zhao, Lei Hou, Meng Gao, Hailing Zi, David Bertioli, Soraya Leal-Bertioli, Manish K. Pandey, Xingjun Wang & Chuanzhi Zhao. 2024. High-density bin-based genetic map reveals a 530-kb chromosome segment derived from wild peanut contributing to late leaf spot resistance. Theoretical and Applied Genetics; March 2024; vol. 137; article 69

28 QTLs điều khiển tính kháng bệnh đốm lá muộn (LLS) được phân lập, sử dụng quần thể làm bản đồ có tính chất “amphidiploid”, một đoạn nhiễm sắc thể thuận lợi dài 530-kb dẫn xuất từ đậu phụng hoang dại đóng góp có ý nghĩa vào tính kháng bệnh đốm lá muộn.

Mycosphaerella berkeleyi (bệnh đốm lá muộn).

Bệnh đốm lá muộn tên tiếng Anh là “late leaf spot” (LLS). Đây là bệnh chủ yếu trên lá đậu phụng, làm giảm năng suất nghiêm trọng và ảnh hưởng đến chất lượng đậu nhân và chất lượng thức ăn giá súc. Vài loài hoang dại thuộc chi Arachis có tính kháng cao với LLS so với giống trồng trọt; tuy nhiên, do tính chất đa bội làm hạn chế việc ứng dụng loài hoang dại. Công trình này tiến hành trên mẫu giống tổng hợp có tính chất amphidiploid (Ipadur) của loài đậu hoang dại, biểu thị tính kháng cao với LLS; vật liệu này được dùng để lai với giống Tifrunner để tạo ra quần thể con lai TI. Có tất cả 200 dòng con lai cận giao tái tổ hợp (RILs) thu được để thực hiện “whole-genome resequencing”. Bản đồ phân giải cao có tính chất “bin-based genetic linkage” được xây dựng, bao gồm 4.809 bin markers, trung bình giữa bin là 0,43 cM. Tái tổ hợp giữa loài trồng trọt và loài hoang dại phân bố không đồng đều, cho ra một landscape mới về tái tổ hợp đối với loài mới “cultivated-wild Arachis”. Sử dụng dữ liệu đánh giá kiểu hình tại 3 địa điểm trồng khác nhau, có 28 QTLs dính với tính kháng LLS được xác định, giải thích 4,35–20,42% biến thiên kiểu hình. QTL chủ lực định vị trên nhiễm sắc thể 14, qLLS14.1, được tìm thấy tại điểm Jiyang (2021) và điểm Henan (2022) với kết quả giải thích được 20,42% và 12,12% biến thiên kiểu hình, theo thứ tự. Một đoạn rất thuận lợi trên nhiễm sắc thể có kích thước 530-kb dẫn xuất từ đậu hoang Ipadur được người ta xác định tại vùng đích của qLLS14.1, trong đó, có 23 protein kháng bệnh, trong đó, sáu protein của chúng  biểu thị biến thể trình tự chuỗi aa đa dạng giữa đậu trồng Tifrunner và đậu hoang Ipadur. Phân tích alen cho thấy đoạn phân tử 530-kb này của loài hoang dại đã có thể đóng góp vào tính kháng bệnh LLS. Những vùng trên genome có tính liên kết và các gen ứng cử viên tính kháng bệnh rất có ý nghĩa phục vụ chương trình cải tiến giống đậu phụng cao sản kháng bệnh bền vững (durable) thông qua “pyramiding” ví dụ tích hợp đa gen kháng với LLS bởi những loci du nhập vào giống trồng trọt.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04580-6

Thực hiện “meta-analysis” các khu vực mục tiêu trên hệ gen cây lúa (Oryza sativa L.) liên quan đến tính trạng chống chịu mặn

Nguồn: Pratik Satasiya, Sanyam Patel, Ritesh Patel, Om Prakash, Kaushal Modha, Vipul Parekh, Haimil Joshi, Vipul Patel, Ankit Chaudhary, Deepak Sharma, Maulik Prajapati. 2024. Meta-analysis of identified genomic regions and candidate genes underlying salinity tolerance in rice (Oryza sativa L.). (Meta-Analysis) Sci Rep.; 2024 Mar 8; 14(1):5730. doi: 10.1038/s41598-024-54764-9.

Sản lượng đã và đang tăng trên toàn cầu, tuy nhiên các yếu tố phi sinh học vẫn luôn là mối lo chính. Stress mặn dường như có tác động nhiều hơn đối với sản lượng lúa trong những stress phi sinh học. Hiện nay, một trong những thách thức có ý nghĩa nhất là tính trạng chống chịu mặn trong cải tiến giống lúa với sự trợ giúp của những QTLs, người ta xác định những QTLs này có cơ hội lớn nhất để cải tiến tính chống chịu mặn nổi tiếng từ nguồn bố mẹ. Tối thiểu hóa khoảng cách vị trí QTL theo thuật toán “QTL confidence interval” (CI) là rất cần thiết để xem xét gen mục tiêu có chức năng thật sự chống chịu stress mặn. Theo đó, kết quả phân tích “genome-wide meta-QTL” trên 768 QTLs của 35 quần thể lúa được công bố từ năm 2001 đến 2022; người ta tiến hành việc xác định các khu vực giả định và các gen ứng cử viên có chức năng chống chịu mặn vì nó làm ngắn hơn CI  (confidence interval: quãng tin cậy) gấp nhiều lần so với nghiên cứu QTL ban đầu.

Theo nghiên cứu hiện nay, có tất cả 65 MQTLs được tách chiết với giá trị CI trung bình giảm từ 17,35 xuống 1,66 cM bao gồm quãng nhỏ nhất 0,01 cM. Việc xác định MQTLs đối với các tính trạng của cá thể, tiếp theo là phân hạng những tính trạng mục tiêu ấy thành những lĩnh vực tương quan về hình thái học, sinh lý và sinh hóa học, kết quả là gải thích hiệu quả hơn về tính chống chịu mặn, xác định các gen ứng cử viên và hiểu rõ cơ chế chống chịu mặn theo một tổng thể. Kết quả nghiên cứu có tiềm năng rất lớn để cải tiến giống lúa chống chịu mặn với sự trợ giúp tích cực của MAS và MABC.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38459066/

Hiển thị “circos plot” trong phân tích MQTL.

(A) số thứ tự 12 nhiễm sắc thể

(B) mật độ marker

(C) LOD của QTLs khởi đầu

(D) giá trị R² của QTLs khởi đầu

(E) khoảng tin cậy của QTLs khởi đầu

(F) số  QTLs ứng cử viên

(G) quãng tin cậy của MQTLs

(H) gen đích được xác định trong vùng MQTL

(I) các vùng đồng dạng của gen được phân lập

Biến thiên kiểu hình kiến trúc chồi thân tương quan với tán lá, hấp thu ánh sáng của cây đậu nành (Glycine max)

Nguồn: Suma Sreekanta, Allison Haaning, Austin Dobbels, Riley O'Neill, Anna Hofstad, Kamaldeep Virdi, Fumiaki Katagiri, Robert M Stupar, Gary J Muehlbauer, Aaron J Lorenz. 2024. Variation in shoot architecture traits and their relationship to canopy coverage and light interception in soybean (Glycine max). BMC Plant Biol.; 2024 Mar 16; 24(1):194. doi: 10.1186/s12870-024-04859-2.

Trong cây đậu nành, sự che phủ nhanh của tán cây CC (canopy coverage) là tính trạng mà người ta rất mong muốn nhưng tán cây được phủ hoàn toàn là không có lợi cho tán xạ (light interception) ở mức độ thấp trong tán lá với hầu hết bức xạ đều bị chặn ở đỉnh tán cây. Kiến trúc chồi thân có ảnh hưởng đến CC được nghiên cứu rất kỷ trong cây trồng như cây bắp và lúa mì, làm thay đổi tính trạng kiến trúc ấy đã làm tăng năng suất. Tuy nhiên, trong đậu nành, nghiên của kiến trúc chồi thân, nhánh thân chưa được sâu rộng.

Nghiên cứu tiến hành tìm hiểu sự khác biệt có ý nghĩa trong sự che phủ nhanh của tán cây CC trong tập đoàn giống đậu nành đang canh tác. Mật độ của CC được tìm thấy để làm giảm trong thời kỳ bắt đầu sinh trưởng sinh dục (R1), kèm theo đó là sự gia tăng của các giai đoạn R2-R3. Hầu hết các mẫu giống đậu nành trong tập đoàn nghiên cứu đều đạt  giá trị tối đa CC vào giữa giai đoạn R2-R3. Người ta đo lường giá trị LI (light interception), xác định được tỷ lệ PAR (photosynthetically active radiation: bức xạ tích cực trong quang hợp) xuyên qua tán cây để trở thành “incoming PAR” (PAR mới) hoặc bức xạ trên tán cây. Giá trị LI tương quan có ý nghĩa với các thông số của CC, nêu bật mối quan hệ giữa kiến trúc tán cây và sự tán xạ của ánh sáng. Nghiên cứu còn khai thác được tác động của dạng hình cây đậu nành đối với giá trị LI và sự đồng hóa CO₂. Dạng hình cây được định tính thành thông số định lượng với khác biệt rõ và bằng mô phỏng toán học tác động của dạng cây đối với LI và đồng hóa CO₂, người ta thấy rằng cây đậu nành có dạng cây xòe rộng và phẳng (broad and flat) ở đỉnh có thể đạt hiệu quả quang hợp tốt hơn ở cường độ ánh sáng yếu, trong khi đó, dạng hình nón (conical shapes) có vẻ thuận lợi khi ánh sáng rất đầy đủ. Kiến trúc chồi thân, nhánh thân trong nghiên cứu này được mô tả theo toàn thân cây, tính trạng phân nhánh và tính trạng liên quan đến lá đậu nành. Có biến thiên đáng kể đối với tính trạng kiến trúc thân giữa các mẫu giống đậu nành khác nhau, kết quả đáng tin cậy. Người ta thấy rằng có nhiều tính trạng kiến trúc thân ví dụ chiều cao cây, lá và lóng thân có ảnh hưởng rất mạnh mẽ đến CC và LI.

Nghiên cứu này cung cấp lý luận về  tương quan giữa  kiến trúc thân đậu nành, độ che phủ của tán lá, và tán xạ ánh sáng. Người ta chứng minh được các tính trạng mới về kiến trúc thân có đặc điểm biến dị di truyền, tác động đến CC và LI, góp phần giúp người ta hiểu rõ hơn về hình thái học cây đậu nành. Tương quan giữa các tính trạng nói trên, CC và LI gợi ra rằng có thể tối hóa hóa tăng trưởng cây đậu nành mà không ảnh hưởng bởi sự truyền ánh sáng trong tán cây. Hơn nữa, nghiên cứu còn nhấn mạnh tiện ích của đánh giá kiểu hình tích hợp 2D chi phí rẻ là phương pháp thực tiễn thay cho phương pháp 3D tốn nhiều thời gian và đắt tiền hơn. Phương pháp tiếp cận ấy khả thi dựa trên kết quả nghiên cứu kiến trúc thân tại ruộng, tạo điều kiện cho đánh gia kiểu hình quy mô rộng hơn, hiệu quả hơn theo hình thái học.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38493116/

“Light interception” (LI: ánh sáng tán xạ) trong tán cây đậu nành được mô phỏng bằng thuật toán “logistic regression”.

(a) Giá trị PAR (photosynthetically active radiation)

(b) Biến thiên tính trạng liên quan đến LI (tán xạ ánh sáng)

(c) Giá trị BLUPs (best linear unbiased predictions) từ số liệu LI và CC thu thập năm 2018 và 2019, sử dụng phép tính tương quan. Pearson correlation (FDR adjusted p value < 0.05) giữa các tính trạng khác nhau biểu thị trong phổ “heat map”