Định mức độ phản ứng nhằm dự đoán hiệu quả di truyền của mức tăng trưởng đậu nành trong điều kiện bị stress khô hạn

Nguồn: Yusuke Toda, Goshi Sasaki, Yoshihiro Ohmori, Yuji Yamasaki, Hirokazu Takahashi, Hideki Takanashi, Mai Tsuda, Hiromi Kajiya-Kanegae, Hisashi Tsujimoto, Akito Kaga, Masami Hirai, Mikio Nakazono, Toru Fujiwara & Hiroyoshi Iwata. 2024. Reaction norm for genomic prediction of plant growth: modeling drought stress response in soybean. Theoretical and Applid Genetics; April 2014; vol. 137; article 77

Người ta đề xuất mô phỏng toán nhằm dự đoán các ảnh hưởng của yếu tố thuộc về hệ gen và yếu tố thuộc về ngoại cảnh trên tăng trưởng mỗi ngày của cây đậu nành và áp dụng mô phỏng ấy hình thành nên cơ sở dữ liệu tăng trưởng đậu nành với công cụ máy bay không người lái.

Lợi thế của công nghệ đánh giá kiểu hình chất lượng cao đã và đang tạo ra khả năng thu nhận dữ liệu tăng trưởng cây theo kiểu “time-series” trong thử nghiệm đồng ruộng, cho phép thực hiện mô hình tính toán GxE (genotype-by-environment interaction) về tăng trưởng của cây. Cho dù mức độ phản ứng như vậy là phương pháp có hiệu quả nhằm định lượng tương tác G × E và được thực hiện trong mô phỏng “genomic prediction” (dự đoán hiệu quả di truyền, nhưng không có phản ứng nào chuẩn mực được mô phỏng đã ứng dụng trong cơ sở dữ liệu tăng trưởng ấy. Ở đây, người ta đề xuất một định chuẩn phản ứng mới đối với tăng trưởng cây theo mô phỏng “spline and random forest” (đường dẫn và rừng ngẫu nhiên), trong đó, tăng trưởng mỗi ngày được giải thích bằng yếu tố môi trường trước một ngày. Mô phỏng đề xuất này được áp dụng cho cây đậu nành ở vùng tán lá và chiều cao nhằm đánh giá được ảnh hưởng của những mức độ stress khô hạn khác nhau. Những thay đổi ở vùng tán lá và chiều cao cây từ 198 giống đậu nành thử nghiệm được đo bằng “remote sensing” bởi máy bay không người lái. Mức độ khô hạn khác nhau được xác định là một nghiệm thức, ẩm độ đất theo thời gian (time-series soil moisture) được người ta đo đếm. Những models như vậy được đánh giá thông qua ba tình huống xác nhận chéo (cross-validation schemes). Cho dù độ chính xác của những models đề xuất đã không vượt qua được dự đoán di truyền của tính trạng đơn, nhưng kết quả cho thấy model này có thể xác định tương tác G × E chặt chẽ, đặc biệt là giai đoạn tăng trưởng sau cùng đối với mô phỏng “random forest”. Cũng như vậy, biến thiên có ý nghĩa trong tương tác G × E của tính trạng chiều cao tán cây ở giai đoạn tăng trưởng đầu tiên được quan sát theo mô phỏng “spline”. Kết quả cho thấy mức độ hữu hiệu của những mô phỏng được đề xuất về dữ liệu tăng trưởng cây và xác suất của tương tác G × E rõ ràng trong nhiều giai đọn tăng trưởng khác nhau của cải tiến giống đậu nành, ứng dụng thống kê sinh học hoặc mô phỏng “machine learning” đối với cơ sở dữ liệu kiểu hình có tính chất “time-series”.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04565-5

Chất chuyển hóa đặc biệt từ rễ bắp làm giảm độc tố arsenic: “benzoxazinoids”

Nguồn: V Caggìa et al. 2024. Root-exuded specialized metabolites reduce arsenic toxicity in maize. PNAS March 26 2024; 121 (13) e2314261121

Các mức độ của độc tố arsenic trong đất có thể làm giảm năng suất cây trồng đáng kể. Ở đây, người ta công bố một cơ chế giảm giảm tích tụ arsenic và giảm độc tính của nó. Benzoxazinoids, một lớp có tính trội của chất biến dưỡng chuyên biệt (còn được gọi là chất biến dưỡng thứ cấp) được mễ cốc sản sinh ra ví dụ như lúa mì và bắp, chúng có thể làm giảm sự hấp thu arsenic và cải tiến hiệu suất thức vật trong nhà kính và trên đồng ruộng. Bên cạnh đó, sự tiết dịch benzoxazinoid vào đất làm tăng cường hiệu suất của những thế hệ con cháu của cây trong đất có nồng độ arsenic cao. Công trình nghiên cứu này mở rộng các chiến lược kháng trên cơ sở di truyền để ổn định năng suất cây trồng trong hệ sinh thái nông nghiệp bị ô nhiễm.

Nhờ giải phóng được các chất biến dưỡng chuyên biệt, cây cải thiện được môi trường của chúng. Liệu rằng và bằng cách nào những chất biến dưỡng bảo vệ được cây chống lại mức độ độc chất của nguyên tố vi lượng (trace elements) thì người ta chưa biết rõ. Tác giả đánh giá liệu rằng các benzoxazinoids, được phóng thích vào đất bằng những loài mễ cốc chính, có thể tạo hành lang bảo vệ độc tố arsenic hay không. Benzoxazinoid sản sinh từ cây bắp thực hiện tốt hơn trong đất bị nhiễm độc arsenic hơn các dòng đột biến thiếu benzoxazinoid theo kết quả xét nghiệm nhà kính và trên ruộng. Thêm benzoxazinoids vào đất khôi phục được tác dụng bảo vệ, và ảnh hưởng này còn kéo dài cho đến thế hệ cây con tiếp theo thông qua phản hồi tích cực của đất và cây. Mức độ arsenate trong đất và mức độ arsenic tổng số trong rễ đều thấp hơn khi có sự hiện diện của benzoxazinoids.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314261121

Biểu hiện ưu thế của các alen từ hệ gen Saccharum spontaneum điều khiển tính kháng bệnh  “orange rust” của cây mía

Nguồn: Jordan Dijoux, Simon Rio, Catherine Hervouet, Olivier Garsmeur, Laurent Barau, Thomas Dumont, Philippe Rott, Angélique D’Hont & Jean-Yves Hoarau. 2024. Unveiling the predominance of Saccharum spontaneum alleles for resistance to orange rust in sugarcane using genome-wide association. Theoretical and Applied Genetics; April 2024; vol.137; article 81

Sáu QTLs điều khiển tính kháng bệnh thối đỏ cây mía được người ta phân lập trong cặp lai giữa hai loài nhờ GWAS phân tích. Năm trong 6 QTLs ấy, alen kháng có nguồn gốc từ loài mía lau (mía hoang dại có tên khoa học S. spontaneum).

Bệnh thối đỏ cây mía có tên tiếng Anh là “sugarcane orange rust: SOR” là bệnh có tính chất đe dọa cao trong công nghệ mía đường trên toàn thế giới. Cải tiến di truyền tính kháng đối với giống mía thương mại vẫn là giải ppháp triển vọng nhất  để kiểm soát được bệnh này. Trong nghiên cứu, người ta tiến hành trên tập đoàn mẫu dòng con lai bao gồm 568 hybrids; lai giữa hai loài (Saccharum officinarum x S. spontaneum) từ chường trình giống mía của Réunion. Chúng được đánh giá tính kháng bệnh SOR trong điều kiện đồng ruộng có lây nhiễm bệnh. Hai GWAS (genome-wide association studies) được tiến hành giữa các phản ứng bệnh và 183.842 chỉ thị phân tử SNPs thu thập từ kết quả GBS (targeted genotyping-by-sequencing). Năm QTLs kháng có tên là Oru1, Oru2, Oru3, Oru4 và Oru5, được xác định thông qua single-locus GWAS (SL-GWAS).Năm QTLs này có nguồn gốc từ loài mía lau S. spontaneum.

Kết quà multi-locus GWAS (ML-GWAS) tìm gen chưa được khám phá, kháng bệnh ít hơn với QTL có tên là Oru6, có có nguồn gốc từ mía trồng S. officinarum. Tất cả 6 QTLs có kiểu hình ảnh hưởng từ trung bình đến chủ lực đối với tính kháng bệnh. Độ chính xác dự đoán theo phương trình tuyến tính trên cơ sở mỗi alen trong 5 QTLs được xác định bởi SL-GWAS đạt giá trị ở giữa 0.16-0.41. Năm QTLs này cung cấp độ chính xác cao  0.60. Kết quả so sánh cho thấy, mức chính xác của 6 models có tính chất “genome-wide prediction” (i.e., GBLUP, Bayes-A, Bayes-B, Bayes-C, Bayesian Lasso và RKHS) chỉ đạt đến giá trị 0.65. Độ chính xác dự đoán tốt về tính trạng kháng bệnh bởi QTLs đích và tính chất ưu thế của loài mía hoang S. spontaneum về các alen kháng của chúng mở được cho chọn giống nhờ chỉ thị phân tử có hiệu cao.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04583-3

GWAS xác định gen Pb4 điều khiển tính kháng bệnh đạo ôn lúa; mã hóa kinase ở thành tế bào

Nguồn: Yunxin Fan, Lu Ma, Xiaoqian Pan, Pujiang Tian, Wei Wang, Kunquan Liu, Ziwei Xiong, Changqing Li, Zhixue Wang, Jianfei Wang, Hongsheng Zhang, Yongmei Bao. 2024. Genome-Wide Association Study Identifies Rice Panicle Blast-Resistant Gene Pb4 Encoding a Wall-Associated Kinase. Int J Mol Sci.; 2024 Jan 9; 25(2):830. doi: 10.3390/ijms25020830.

Đạo ôn lúa là một trong những bệnh có sức tàn phá lớn nhất, gây ra giảm sản lượng lượng ở quy mô toàn cầu. Phát triển và sử dụng giống kháng bệnh được chứng minh là phương pháp tiếp cận có hiệu quả và rẻ tiền nhất để quản lý bệnh đạo ôn.

Tuy nghiên, do áp lực của môi trường và tính chọn lọc của pathogen rất mãnh liệt, cho nên tính kháng này nhanh chóng bị phá vỡ, và các gen kháng ổn định đang được khám phá thêm. Theo nghiên cứu này, một gen mới bắn với kinase thành tế bào (WAK), gen Pb4, điều khiển tính kháng bệnh đạo ôn lúa, được người ta phân lập thành công thông qua GWAS – sử dụng 249 mẫu giống lúa khác nhau. Pb4 bao gồm peptide tín hiệu có đầu N, domain mang tính chất ngoại bào GUB, domain EGF, domain EGF-Ca²⁺, và domain “protein kinase” có tên Ser/Thr. Domain ngao5i bào (GUB domain, EGF domain, và EGF-Ca²⁺ domain) của Pb4 có thể tương tác với domain ngoại bào CEBiP. Thêm vào đó, biểu hiện của nó bị kích hoạt bởi chitin và polygalacturonic acid. Hơn nữa, cây lúa transgenic biểu hiện mạnh mẽ gen Pb4 sẽ làm tăng cường tính kháng bệnh đạo ôn.

Tóm lại, nghiên cứu đã xác định được một gen kháng đạo ôn mới có tên là  Pb4, và cung cấp cơ sở lý luận để chúng ta hiểu rõ vai trò của  WAKs trong việc trung gian của tính kháng cây lúa  đối với bệnh đạo ôn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38255904/

Xác định các gen ứng cử viên kháng bệnh đạo ôn.

(A) Giản đồ Manhattan (trên) và phổ biểu hiện  LD heatmap (dưới) trên BRL10 (trái). Gen ứng cử viên và chỉ thị SNPs có ý nghĩa trong “LD block” được tuyển chọn (phải).

(B–D) Kết quả phân tích qRT-PCR các gen ứng cử viên trong quá trình xâm nhiễm của nấm M. oryzae. Trục x cho thấy hậu chủng ở thời điểm thích hợp. Trục y cho thấy mức độ phiên mã tương đối của gen ứng cử viên. Thanh sai số, trung bình ± SD (n = 3).