Di truyền tính trạng dạng hạt, chịu nóng, chịu kiềm của cây lúa thông qua Gγ protein

Nguồn: Na Xu, Yuchao Qiu, Xin Cui, Cheng Fei & Quan Xu. 2024. Enhancing grain shape, thermotolerance, and alkaline tolerance via Gγ protein manipulation in riceTheoretical and Applied Genetics; June 10 2024; vol. 137; article 154

Kết quả tóm lược nguồn vật liệu bố mẹ có giá trị trong lai tạo giống lúa, chứng minh khả năng làm tăng cường dạng hạt lúa, tẳng tính chống chịu nóng, chống chịu kiềm thông qua thao tác Gγ protein.

Năng suất giống lúa japonica ôn đới kiểu hình Geng (GJ) đã và đang được cải tiến rất đáng kể, đáp ứng yêu cầu an ninh lương thực toàn cầu. Tuy nhiên, chọn giống lúa GJ mong muốn đang đối diện với thách thức, đó là làm sao tăng cường được phẩm chất hạt, đảm bảo năng suất lúa ổn định trong khi nhiệt độ ấm lên, trồng được trên đất kiềm. Nghiên cứu chỉ ra rằng người ta tiến hành chỉnh sửa gen qua hệ thống CRISPR/Cas9 để knock out locus GS3 trong 7 giống lúa GJ ưu việt với năng suất cao. Xem xét thành phần cấu thành năng suất cho thấy dòng lúa đột biến có gen GS3 bị knockout biểu thị chiều hạt hạt tăng, chiều cao cây thấp trong nền tảng di truyền đa dạng. Tác động của GS3 đối với số hạt trên bông và mật độ đóng hạt tùy thuộc vào nền tảng di truyền (genetic background). GS3 knockout không ảnh hưởng đến phẩm chất xay chà và protein bị thay đổi thấp nhất, hàm lượng amylose thay đổi thấp nhất, nhưng ảnh hưởng đáng kể đến các tính trạng liên quan bạc bụng. Dòng lúa GS3 knockout cải thiện một cách không chính thống (indiscriminately) tính chống chịu nóng và tính chống chịu kiềm trong giống lúa GJ. Phân tích transcriptome cho thấy biểu hiện gen khác nhau giữa dòng GS3 mutants và giống nguyên thủy của nó, làm phong phú thêm tiến trình sinh học liên quan đến quang tổng hợp, ổn định hệ thống photosystem II, và các lộ trình này gắn liền với quang hợp và sinh tổng hợp cutin, suberine, sáp. Kết quả cho thấy GS3 là nguồn vật liệu lai tạo giống phục vụ cùng một lúc tính trạng dạng hạt gạo, chịu nóng, chịu kiềm thông qua thao tác của protein Gγ trong cây lúa.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04669-y

Kiến trúc di truyền hệ gen cây mía đa bội thể

Nguồn: A L Healey, O Garsmeur, J T Lovell, S Shengquiang, A Sreedasyam, J Jenkins, C B Plott, N Piperidis, N Pompidor, V Llaca, C J Metcalfe, J Doležel, P Cápal, J W Carlson, J Y Hoarau, C Hervouet, C Zini, A Dievart, A Lipzen, M Williams, L B Boston, J Webber, K Keymanesh, S Tejomurthula, S Rajasekar, R Suchecki, A Furtado, G May, P Parakkal, B A Simmons, K Barry, R J Henry, J Grimwood, K S Aitken, J Schmutz, A D'Hont. 2024. The complex polyploid genome architecture of sugarcane

Nature; 2024 Apr; 628(8009):804-810. doi: 10.1038/s41586-024-07231-4.

Cây mía, loài cây trồng được thu hoạch tính theo khối lượng là nhiều nhất, đã và đang định hình lịch sử, thương mại, địa chính trị toàn cầu, hiện đang chịu trách nhiệm cung cấp 80% đường của thế giới. Trong khi phương pháp cải tiến giống mía truyền thống đã và đang sản sinh ra các giống mía có hiệu quả nhất định thích nghi với tình hình mới về ngoại cảnh và mầm bệnh, nhưng cải thiện năng suất đường đang chững lại. Việc dừng tăng năng suất có thể do đa dạng di truyền bị hạn chế trong quần thể con lai, chu kỳ chọn giống kéo dài và sự phức tạp của hệ gen cây mía, điều này ngăn cản các nhà chọn giống tận dụng cơ hội tiếp cận phương pháp giải trình tự toàn bộ hệ gen mà những loài cây trồng khác đang hưởng lợi. Do vậy, con lai hiện đại là những vật liệu cuối cùng còn lại của cây trồng chính này không có “genmome tham chiếu chất lượng tốt”. Ở đây, tập thế các tác giả rất lớn, tiến hành một bước tiến quan trọng hướng đến “công nghệ sinh học mía đường tiên tiến” thông qua xây dựng nên hệ gen tham chiếu đa bội thể đối với giống R570, giống mía mới điển hình dẫn xuất từ “lai giữa loài” (interspecific) cặp lai của loài thuần hóa (Saccharum officinarum) với loài hoang dại (Saccharum spontaneum). Trái với sự hiện hữu của single haplotype ('monoploid') trong giống mía R570, nhóm tác giả tổng hợp được 8,7 tỷ base  bao gồm sự đại diện đầy đủ của các trình tự DNA độc đáo thông qua khoảng 12 bản sao chép nhiễm sắc thể trong hệ gen đa bội này. Sử dụng tập họp hệ gen có tính chất liền kề rất cao như vậy (highly contiguous genome assembly), người ta đã lấp đầy khoảng trống chưa được đo lường trước đó,  với bản đồ di truyền vật lý của giống R570 nhằm mô tả những “causal genes” (gen chức năng) nằm ơ locus Bru1 có tính chất single-copy kháng bệnh brown rust (rỉ nâu). Tập họp hệ gen đa bội này với sự mô tả chi tiết kiến trúc hệ gen và các mục tiêu phân tử trong công nghệ sinh học sẽ giúp chúng ta đẩy nhanh quá trình chọn giống phân tử và chuyển nạp gen, thích nghi của cây mía với điều kiện ngoại cảnh trong tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38538783/

Hình: Locus của gen ứng cử viên Bru1.

(a) Tính kháng bệnh rỉ nâu của giống mía R570. Bên trên là con lai tự thụ của giống R570  có locus Bru1. Bên dưới là con lai thiếu Bru1. (b) Gap-filled haplotype assembly xác định TKP là một gen ứng cử viên có chức năng đối với vùng gen Bru1, kháng bền vững bệnh rỉ nâu. Khung màu xanh blue là curated gene models và khung màu xám  là transposable elements lớn. Gen ứng cử viên Bru1 TKP7 và TKP8 có màu đỏ định vị trên nhiễm sắc thể Chr. 3D.

Khai thác cơ chế cân bằng hàm lượng phosphorus & tinh bột trong hạt bắp thông qua phân tích di truyền GWAS và cơ sở dữ liệu transcriptome

Nguồn: Bowen Luo, Haiying Zhang, Zheng Han, Xiao Zhang, Jianyong Guo, Shuhao Zhang, Xianfu Luo, Jin Zhao, Wei Wang, Guohui Yang, Chong Zhang, Jing Li, Junchi Ma, Hao Zheng, Zirui Tang, Yuzhou Lan, Peng Ma, Zhi Nie, Yunjian Li, Dan Liu, Ling Wu, Duojiang Gao, Shiqiang Gao, Shunzong Su, Jia Guo & Shibin Gao. 2024. Exploring the phosphorus–starch content balance mechanisms in maize grains using GWAS population and transcriptome data. Theoretical and Applied Genetics; June 12 2024; vol.137; article 158

Xem xét mối quan hệ giữa P và các tín hiệu liên quan đến tinh bột có thể làm sáng tỏ sự cân bằng giữa dinh dưỡng và năng suất. Người ta tiến hành sử dụng 307 dòng bắp cận gia rất đa dạng nhằm thực hiện những khảo nghiệm nhiều năm, nhiều địa điểm, để khai thác mối liên quan giữa hàm lượng P, hàm lượng tinh bột, khối lượng 100 hạt (HKW) của hạt bắp trưởng thành.

Tương quan nghịch rất chặt chẽ giữa hàm lượng P và hàm lượng tinh bột, cũng như tính trạng HKW, trong khi đó, tương quan thuận có ý nghĩa giữa hàm lượng tinh bột với HKW. Hạt tinh bột có P cao và hàm lượng tinh bột thấp (HPLS) thường nhỏ hơn đáng kể so với hạt có P thấp, tinh bột cao (LPHS). Bên cạnh đó, mian04185-4 (HPLS) biểu hiện tinh thể hạt tinh bột không đều và kết cấu lỏng lẻo. Sự giảm đáng kể  việc biểu hiện các gen ZmPHOs được tìm thấy trong dòng bắp HPLS như ZNC442 (tinh bột thấp) so với dòng bắp LPHS như SCML0849 (tinh bột cao), trong khi đó, không khác biệt trong biểu hiện gen mã hóa AGPase giữa các dòng bắp này. Gen điều tiết theo kiểu “down” trong hạt giống bắp ZNC442 khá phong phú trong nucleotide sugar và lộ trình anabolic của acid béo, trong khi, gen điều tiết theo kiểu “up” rất phong phú trong lộ trình ABC transporters. Sự phân hủy chất béo tăng lên khi hàm lượng P tăng được ghi nhận. Điều này khẳng định HPLS (tinh bột thấp) là kết quả của sự phân hủy lipid tăng và nguồn carbon không đủ. Kết quả GWAS xác định được 514 gen liên quan có ý nghĩa, có 248 gen trong số đó biểu hiện khác biệt. Zm00001d052392 gắn liền có ý nghĩa với hàm lượng P/HKW, thể hiện sự biểu hiện mạnh mẽ của SCML0849 (bắp tinh bột cao) nhưng hầu hết là không thể hiện trong ZNC442 (bắp tinh bột thấp). Kết quả cho thấy cách tiếp cận mới về sự cân bằng giữa P và năng suất thông qua thao tác trong chu trình biến dưỡng lipid ở trong hạt bắp.

Xemhttps://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04667-0

GWAS xác định căn cứ di truyền tính kháng bệnh đạo ôn gắn với ngày trổ bông lúa

Nguồn: Seung Young Lee, Gileung Lee, Jiheon Han, Su-Kyung Ha, Chang-Min Lee, Kyeongmin Kang, Mina Jin, Jung-Pil Suh, Ji-Ung Jeung, Youngjun Mo, Hyun-Sook Lee. 2024. GWAS analysis reveals the genetic basis of blast resistance associated with heading date in rice. Front Plant Sci; 2024 May 21: 15:1412614. doi: 10.3389/fpls.2024.1412614. 

Bệnh đạo ôn lúa do nấm ảnh hưởng đến cây trong mọi giai đoạn tăng trưởng, là mối đe dọa có ý nghĩa lớn đối với an ninh lương thức toàn cầu. Phát triển giống lúa kháng bệnh là phương pháp thực tiễn trong kiểm soát bệnh này. Nhìn chung, ban đồ “association” với một tập đoàn giống lúa đa dạng phân lập được nguồn alen mới rất tiềm năng về tính kháng bệnh. Mặt khác, sử dụng tập đoàn bố mẹ lai có thuận lợi là áp dụng được trực tiếp cho chương trình cải tiến giống lúa. Người ta tiến hành phân tích GWAS (genome-wide association study)  về tính kháng đạo ôn thông qua 296 giống lúa thương mại với kiến trúc quần thể thấp nhưng đa dạng kiểu hình rất lớn. Người ta cố gắng trả lời được cơ sở di truyền gì bên cạnh tính kháng bệnh đạo ôn lúa trong các giống lúa ngắn ngày thông quan chia nhỏ quần thể dựa trên chức năng gen Heading date 1 (Hd1). GWAS có tính chất đặc thù “subpopulation” như vậy với thuật toán MLM (mixed linear model: mô phỏng tuyến tính kết hợp) được quan sát trên nương mạ đạo ôn suốt 3 năm liền với tổng số 26 tín hiệu có ý nghĩa, bao gồm ba hệ gen nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NBS-LRR) (Os06g0286500, Os06g0286700, và Os06g0287500) định vị trên locus của Piz nằm trong nhiễm sắc thể 6, và một gen trên locus của Pi-ta (Os12g0281300) tại nhiễm sắc thể 12. Phân tích haplotype cho thấy tính kháng đạo ôn gằn liền với locus Piz đặc trưng cho Type 14 hd1 trong giống lúa  japonica. Kết quả cung cấp hiểu biết sâu sắc về tính kháng bệnh đạo ôn cây lúa, nêu bật khả năng ứng dụng của các giống lúa ưu việt để phát hiện alen kháng kết hợp với những tính trạng nông học quan trọng.

Xem  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38835858/

Hình: Giản đồ Manhattan & quantile-quantile (Q-Q) plots từ kết quả GWAS đối với tính kháng đạo ôn của giống lúa trồng Korean thông qua MLM. (A) Tập đoàn giống lúa có 296 mẫu giống. (B) NHóm gen Hd1 có chức năng (n=183). (C) NHóm gen hd1 không chức năng (n=113). Trục X biểu thị SNPs trên mỗi nhiễm sắc thể; trục Y là −log₁₀ (P). Vị trí chỉ thị SNP màu đỏ là tín hiệu có ý nghĩa được chú thích bản chất mô típ di truyền NBS-LRR.