Họ gen Pectate Lyase trong cây khoai tây và stress mặn

Nguồn: Zhiqi Wang, Tao Liu, Wenbo Wu, Wenting Shi, Jian Shi, Fengyan Mo, Chong Du, Chaonan Wang, Zhongmin Yang. 2024. Genome-Wide Identification of the Pectate Lyase Gene Family in Potato and Expression Analysis under Salt Stress. Plants (Basel); 2024 May 11; 13(10):1322. doi: 10.3390/plants13101322.

Pectin có cấu trúc polysaccharide, là một thành phần chính của thành tế bào. Pectate lyases là hệ men có chức năng phân cắt pectin bị demethyl hóa nhờ cắt cầu nối α-1,4-glycosidic, enzyme của nhóm này có vai trò quan trọng giúp cây tăng trưởng và phát triển. Hiện nay, người ta biết được rất ít các thành viên của họ gen PL (Pectate Lyase) và  sự tham gia của chúng khi khoai tây bị stress mặn. Người ta tiến hành nghiên cứu nhờ tin sinh học để xác định các thành viên của họ gen PL  và phân tích bản chất của chuỗi trình tự DNA cũng như chuỗi amino acid. Kết quả cho thấy có 27 thành viên của họ gen pectate lyase được phân lập thành công trong cây khoai tây. Phân tích cây gia hệ cho thấy những gen này được phân chia thành 8 nhóm. Phân tích các promoters cho thấyvùng promoter của các thành viên có chứa một số hormone đáng kể và các yếu tố phản ứng với stress. Nghiên cứu sâu hơn, người ta thấy rằng nhiều thành viên phản ứng tích cực với stress mặn đơn độc hoặc mặn có kết hợp với stress khác. Riêng gen StPL18 biểu hiện nhất quán trong cả hai loại hình mặn như vậy, định vị của nó dưới quy mô tế bào được phân lập thành công. Kết quả cho thấy StPL18 định vị trong màng võng nội chất (endoplasmic reticulum). Kết quả này sẽ xây dựng nên cơ sở để phân tích chức năng của họ gen pectate lyase trong cây khoai tây và biểu hiện gen đích khi cây bị stress mặn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38794393/

Cơ chế quang hợp của cây lúa (Oryza sativa) chống chịu mặn

Nguồn: Guanqiang Zuo, Jingxin Huo, Xiaohui Yang, Wanqi Mei, Rui Zhang, Aaqil Khan, Naijie Feng, Dianfeng Zheng. 2024. Photosynthetic mechanisms underlying NaCl-induced salinity tolerance in rice (Oryza sativa). BMC Plant Biol.; 2024 Jan 10; 24(1):41. doi: 10.1186/s12870-024-04723-3.

Stress mặn là yếu tố cản trở sự phát triển bình thường của cây lúa  trong điều kiện đồng ruộng, cho thấy sự hạn chế đáng kể năng suất hạt và phát triển cây lúa. Mục tiêu nghiên cứu này nhằm khai thác tác động suy giảm của nghiệm thức xử lý trên cây mạ cũng như cơ chế chống chịu mặn thông qua đánh giá  tính trạng hình thái và sinh lý cây lúa.

Giống lúa Huanghuazhan, xử lý trong nghiệm thức nước cất, nghiệm thức 25 mg/L prohexadione calcium (Pro-Ca), rồi được xử lý với nhiều nghiệm thức nồng độ dung dịch NaCl khác nhau (0 và 50 mM NaCl), cho phơi nhiễm trong stress mặn (0 và 100 mM NaCl), được đánh dấu nghiệm thức S0, S1, S2 và S3, theo thứ tự. Phân tích tăng trường cho thấy xử lý trước NaCl cải thiện được tỷ số rễ/chồi trong cây lúa ngâm nước ở DAP 0. Số liệu liên quan đến mật độ trung tâm phản ứng, hiệu quả vận chuyển electron sản phẩm quang hợp, hiệu quả trapping được so sánh trước (CK) nhờ sử dụng performance Index (PIabs). So với nghiệm thức S2 (Pro-Ca-S2), PIabs không cho thấy bất cứ khác biệt nào với cây lúa được xử lý trước với NaCl (S3 hoặc Pro-Ca-S3). Ít hơn  PIabs, khác biệt có ý nghĩa trong đặc điểm hiệu ứng vận chuyển electron sản phẩm quang hợp (Ψ_Eo). Giá trị của Ψ_Eo trong Pro-S2 thấp hơn có ý nghĩa đối với nghiệm thức Pro-S3 ở 7 ngày sau khi cây (DAP 7), và tỷ lệ suy giảm khoảng 6.5%. Phân tích hệ số tương quan cho thấy PIabs lá lúa tương quan yếu với sinh khối cây lúa trong khi năng suất giảm của thụ thể nhận electrong của  PSI end, trapped energy flux trên từng trung tâm phản ứng và PSII antenna size biểu hiện tương quan tích cực với sinh khối. Phân tích bổ sung cho kết quả là xử lý 100 mM NaCl làm giảm đáng kể linear electron flux trên lá lúa trong điều kiện nắng yếu, bất kể cây mạ ra sao đi nữa khi đã được xử lý trước với liều lượng 50 mM NaCl hoặc không xử lý. Chống chịu mặn NaCl có liên quan đến bộ máy quang tổng hợp cây lúa rất đáng kể.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38195408/

Di truyền tính kháng sâu đục thân màu vàng Scirpophaga incertulas trong hệ gen cây lúa

Nguồn: CG Gokulan et al. 2024. Multiomics-assisted characterization of rice-Yellow Stem Borer interaction provides genomic and mechanistic insights into stem borer resistance in rice. Theoretical and Applied Genetics; June 2024; Volume 137, article number 122

Hình: Sâu đục thân màu vàng Scirpophaga incertulas (Walker) (Lepidoptera: Crambidae)

Bằng cách tiếp cận “multi-omics”, người ta đã làm sáng tỏ các cơ chế giúp cây lúa chiến đấu với sâu hại có tên “sâu đục thân màu vàng” (YSB), cho chúng ta hiểu biết cũng như lĩnh vực phát triển giống lú cao sản kháng sâu đục thân YSB.

Sâu đục thân màu vàng (YSB) có tên khoa học là Scirpophaga incertulas (Walker) (Lepidoptera: Crambidae). Đây là loài sâu hại chủ lực trong canh tác lúa, có thể làm giảm 20–60% năng suất lúa. Quản lý hiệu quả YSB luôn thách thức với nhà chọn giống bởi không qó đủ nguồn vật liệu có tính kháng và sự hiểu biết rất ít về cơ chế kháng sâu này, do vậy, những nghiên cứu đòi hỏi nguồn vật liệu sáng tạo ra phục vụ lai tạo giống lúa kháng sâu YSB để hiểu rõ hơn tương tác giữa cây lúa và sâu đục thân YSB. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành áp dụng phương pháp “bulk-segregant analysis” (BSA) kết hợp với chạy trình tự thế hệ mới (NGS), quãng phân tử QTL tại 5 nhiễm sắc thể được lập bản đồ di truyền; kết quả có thể được kết hợp với nhau với tính kháng sâu YSB ở giai đoạn tăng trưởng của dòng lúa kháng sâu SM92. Những chỉ thị phân tử SNP kết hợp chặt chẽ với tính trạng kháng sâu YSB trê nhiễm sắc thể 1, 5, 10, và 12 đã được phát triển. Chạy trình tự RNA-sequence của dòng lúa kháng và nhiễm sâu cho thấy có nhiều gen hiện diện trong vùng QTL ứng cử viên với điều tiết theo mức gây hại của sâu YSB. Phân tích transcriptome kiểu so sánh cho thấy được gen ứng cử viên giả định mà gen này được người ta dự đoán là mã hóa protein alpha-amylase inhibitor. Phân tích phổ biểu hiện của transcriptome và chất biến dưỡng (metabolite) cho thấy có liên kết giữa cơ chế biến dưỡng phenylpropanoid và tính trạng kháng sâu YSB. Kết quả cung cấp kiến thức sâu về tương tác giữa cây lúa và  YSB đồng thời tăng cường sự hiểu biết về cơ chế kháng sâu đục thân. Quan trọng hơn hết là có một dòng con lai triển vọng và những markers liên kết chặt với tính kháng YSB đã được phát triển thành công; tất cả giúp cho chọn giống lúa kháng sâu đục thân nhờ chỉ thị phân tử khả thi.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04628-7

Chỉnh sửa gen NPR3 giúp khoai tây kháng được vi khuẩn Candidatus Liberibacter spp.

Nguồn: Manikandan Ramasamy, Mohan Singh Rajkumar, Renesh Bedre, Sonia Irigoyen, Katherine Berg-Falloure, Michael V. Kolomiets, Kranthi K. Mandadi. 2024. Genome editing of NPR3 confers potato resistance to Candidatus Liberibacter spp. Plant Biotechnology Journal; First published: 22 May 2024. https://doi.org/10.1111/pbi.14378

Hình: Rầy khoai tây Bactericera cockerelli Šulc., là vector truyền vi khuẩn gây bệnh khoai tây.

Candidatus Liberibacter solanacearum (CLso) là một vi khuẩn gây hại khoai tây (Solanum tuberosum) ức chế mạch phloem, gắn liền với bệnh “potato zebra chip” (chíp khoai tây có dạng zebra). Vector truyền bệnh này là rầy Bactericera cockerelli Šulc., làm thiệt hại kinh tế quy mô toàn cầu (Mora et al., 2021). Phát triển giống kháng theo phương pháp kinh điển không thành công (Mora et al., 2022), do vậy, người ta cần phải ứng dụng công nghệ di truyền hiện đại hoặc chỉnh sửa gen.

Trong tực vật, những protein có tính chất non-expressor of pathogenesis-related (NPR) hoạt động như những thụ thể của hormone tự vệ, như salicylic acid (SA). Trong khi NPR1 kích hoạt miễn dịch theo SA có trong cây Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), thi chất đồng phân của nó NPR3, điều tiết một cách thụ động hệ thống bảo vệ SA. Biểu hiện NPR1 của Arabidopsisi trong cây cam ngọt (Citrus sinensis) và loài cây trồng khác làm tăng cường tính chống chịu theo SA đối với nhiều pathogens (Peng et al., 2021). Trái lại, sự điều tiết kiểu “down” của NPR3 trong cây Arabidopsis (Ding et al., 2018) và cây cacao (Theobroma cacao) (Fister et al., 2018) làm tăng cường tính kháng bệnh do vi khuẩn và nấm, theo thứ tự. Trước đây người ta thấy rằng sự điều tiết có tính chất “transiently down” của StNPR3 trong rễ tóc cây khoai tây làm giảm CLso titer (Irigoyen et al., 2020). Ở đây, kết quả chỉnh sửa gen StNPR3 liên quan đến tính kháng của khoai tây với vi khuẩn CLso thông qua kích hoạt được hệ phòng vệ nhờ SA và sự dị hóa JA.

Để khai thác được chức năng gen StNPR3 trong khoai tây, người ta xác định một gen tương đồng NPR3 (NCBI# XM_006366563.2, Table S1) và thiết kế phân tử “guide RNA” nhắm đích đến ở vị trí exon đầu tiên của khung đọc mã (ORF) thuộc gen StNPR3. Chuyển nạp gián tiếp th6ong qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens vào giống khoai tây Atlantic, để tạo nên nhiều dòng chỉnh sửa gen StNPR3. Trên cơ sở “amplicon sequencing”, có 2 dòng khoai tây được chọn phục ụ phân tích sâu. Dòng số 1 là đồng hợp tử “mono-allelic” có chiều dài mất đoạn là 8-bp trong 4 alen. Dòng số 2 là dị hợp tử “bi-allelic” có chiều dài mất đoạn là 6/7-bp trong 2 của 4 alen. Khung ORF của gen StNPR3 được dự đoán là sản sinh ra protein “truncated NPR3” với BTB domain và thiếu phân tử Ankyrin-repeat, cũng như SA-binding core (Ding et al., 2018; Wang et al., 2020b). Dòng chỉnh sửa gen StNPR3 biểu hiện tăng trưởng và phát triển không bình thường so với đối chứng vector (VC, biểu hiện một mình Cas9). Tóm lại, người ta đề nghị một mô phỏng hoạt động trong cây khoai tây, knockdown hoặc lấy ra hoàn toàn NPR3, kích hoạt tín hiệu SA và khoai tây được vi khuẩn CLso. NPR3 bị lấy ra còn kích hoạt sự dị hóa JA-Ile và tránh được sự kích hoạt quá mức của hệ thống bảo vệ JA, đồng thời có thể dẫn đến tế bào chết.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14378

Hình: Chỉnh sửa gen NPR3 nhờ hệ thống CRISPR-Cas9 giúp khoai tây kháng bệnh “zebra chip”.