Chọn giống cà phê nhờ kết quả nghiên cứu hệ gen đáp ứng biến đổi khí hậu

Nguồn: Maria Amélia G Ferrão, Aymbire F A da Fonseca, Paulo S Volpi, Lucimara C de Souza, Marcone Comério, Abraão C Verdin Filho, Elaine M Riva-Souza, Patricio R Munoz. 2024. Genomic-assisted breeding for climate smart coffee. Plant Genome; 2024 Mar 17(1): e20321   

Cà phê là thức uống mang tính chất toàn cầu, dẫn dắt  thị trường có tính chất đa ngành công nghiệp. Hiện nay, tính bền vững trong sản xuất cà phê bị đe dọa bởi biến đổi khí hậu khôn lường. Kết quả nghiên cứu này được tiến hành nội dung chọn giống nhờ thành tựu genomics (genomic-assisted breeding) đối với giống cà phê có khả năng đáp ứng biến đổi khí hậu (climate-smart coffee) trong loài Coffea canephora. Loài này đáp ứng tốt với nhiệt độ nóng và chống chịu khá với stress sinh học cũng như phi sinh học. Sau khi đánh giá 2 quần thể các dòng cà phê, qua nhiều vụ thu hoạch, dưới điều kiện thời tiết khô hạn cực trọng, người ta phân tích kiến trúc di truyền của năng suất, tính kháng bệnh, các tính trạng phẩm chất cà phê. Tích hợp kết quả GWAS (genome-wide association studies) và phân tích diallel cho thấy: đóng góp của kết quả đạt được gấp bốn lần mong muốn: (1) xác định được những chỉ thị phân tử có ảnh hưởng chính với tính trạng kháng bệnh và tính trạng sau thu hoạch, trong khi năng suất và kiến trúc tán cây biểu thị di truyền số lượng; (2) chúng minh được hoạt động tương tác của các gen không cộng tính (nonadditive gene actions) và ưu thế lai có định hướng khi lai giữa các giống có nguồn gốc địa lý khác nhau; (3) tính toán được giá trị hiệu quả di truyền từ trung bình đến cao đối với hầu hết các tính trạng mục tiêu, biểu thị tiềm năng của tiến trình cải tiến di truyền nhanh; và (4) cung cấp được kết quả đầu tiên hướng đến thực hiện chọn giống nhờ phân tử để thúc đầy tến trình cải tiến giống cà phê thuộc loài C. canephora. Kết quả này vạch ra một kết hoạch chi tiết là làm thế nào phối hợp tốt di truyền số lượng và di truyền phân tử (genomics) có thể làm cho chọn giống cà phê thành công và hỗ trợ cho chuỗi cung ứng (supply chain) trước những thay đổi toàn cầu hiện nay.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36946358/

Đa bội thể cây bắp: từ chọn lọc tiến hóa cho đến chọn giống hiện nay to breeding

Nguồn: Grigorii Batiru & Thomas Lübberstedt. 2024. olyploidy in maize: from evolution to breeding. Theoretical and Applied Genetics; July 13 2024; vol. 137; article 182

Đa bội thể đóng góp một vai trò quan trọng trong sự tiến hóa của 3 loài cây lương thực quan trong. Đó là: lúa mì, bắp và lúa gạo, mội thứ cung cấp cho chúng ta một mô hình đặc biệt để nghiện cứu hiện tượng allopolyploidy (dị đa bội thể), segmental alloploidy (đa bội thể có tính phân đoạn) hoặc paleopolyploidy (đa bội thể yếu). Tuy vậy, vai trò di truyền tiến hóa của nó vẫn còn bí ẩn. Những cơ chế vô hình này và hậu quả của đa bội thể vẫn tiếp tục là mục tiên nghiên cứu của sinh vật thuộc eukaryotes. Bắp là một trong những loài cây trồng chưa được khai thác đúng mức (underutilized crops) ở mức độ đa bội thể. Loài cây trồng này không có thể đa bội tự nhiên ổn định, những cái hiện có được thu thập qua nhân tạo. Từ một loạt các tập đoàn giống bắp đa bội, người ta thấy chỉ có loại hình tứ bội (4n = 40) đáng được ghi nhận đặc biệt. Chúng biểu thị đặc điểm hình thái, sinh lý và sinh hóa rất có giá trị, ưu việt hơn cây lưỡng bội mà chúng khởi thủy, nhưng còn có một nhược điểm, ví dụ như: thụ tinh giảm, phát triển chậm hơn, thời gian sinh thực dài hơn, năng suất thấp và khả năng thích ứng thấp. Do những rào cản như vậy, cho nên muốn sử dụng được tứ bội thể trên đồng ruộng, giống bắp tứ bội đầu tiên cho thấy chỉ có ích trong nghiên cứu khai thác biến dị di truyền, lai cận huyết, khai thác cường lực lai (heterosis) và ảnh hưởng số lượng (gene dosage effect). Kể từ khi lần đầu tiên đề cập giống bắp tam bội cho đến này, nhiều nhà khoa học và đại học, đã nỗ lực sử dụng đa bội thể trên cây bắp. Mặc dù có những nhược điểm chung của một loài cây trồng, tiến bộ đáng kể trong quá trình phát triển giống bắp tứ bội có tính trạng nông học tốt đã thu hoạch được nhiều kết quả  dẫn đến ghi nhận giống bắp tứ bội ưu việt. Trong bài tổng quan, người ta tóm lược và thảo luận nhiều khía cạnh học thuật của đa bội thể cây bắp, ví dụ bối cảnh tiến hóa, phương pháp tạo tứ bội, hình thái học, nội dung thụ tinh, các thông số di truyền, biểu hiện gen và tiềm năng khai thác giống đa bội.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04688-9

GBS (Genotyping-by-sequencing) vùng mục tiên mang gen và cải tiến phân tich GWAS hệ gen cây khoa tây tứ bội thể

Nguồn: Sanjeev Kumar Sharma, Karen McLean, Peter E. Hedley, Finlay Dale, Steve Daniels & Glenn J. Bryan. 2024. Genotyping-by-sequencing targets genic regions and improves resolution of genome-wide association studies in autotetraploid potato. Theoretical and Applied Genetics; July 9 2024; vol.137; article 180

Đánh giá kiểu gen de novo trong hệ gen cây khoai tây thông qua phương pháp  “methylation-sensitive GBS” giúp người ta tìm ra các chỉ thị  SNPs để xác định vùng mang gen đích và vùng có liên quan đến gen đích, hiển thị được hiệu quả nâng cao trong ước tính “LD decay rates” (mức độ phân hủy liên kết không cân bằng), kiến trúc quần thể, tìm thất được tính chất “GWAS associations” đối với bộ chỉ thị phân tử SNPs đa hình làm nền. Kết quả nghiên cứu còn ghi nhận kiến trúc di truyền bao gồm kết hợp tính trạng với chuỗi trình tự rất lớn được đánh dấu nhờ chỉ thị phân tử đối với 16 tính trạng quan trọng của khoai tây, các tính trạng này có khả năng lớn trong nghiên cứu di truyền khoai tây.

Nghiên cứu này triển khai các tiến bộ gần đây nhất về phương pháp đa bội thể nhằm hoàn thiện phân tích nhiều tính trạng phức tạp của giống khoai tây tứ bội. Nghiên cứu khai thác cơ sở chỉ thị “fixed SNP Infinium array” và nội dung làm giảm mức độ phức tạp hệ gen khoai tây ‘linh hoạt và cởi mở hơn’ trên cơ sở tiếp cận đánh giá kiểu gen bằng trình tự gen GBS (genotyping-by-sequencing) để hoàn thiện được phân tích GWAS đối với nhiều tính trạng quan trọng chính của cây khoai tây, bao gồm đánh giá kiến trúc quần thể và giá trị LD (linkage disequilibrium) trong quần thể được nghiên cứu. GBS SNPs tìm thấy ở đây được giới hạn rất lớn (~ 90%) đối với vùng có gen đích hoặc vùng có liên quan đến gen đích của genome khoai tây, minh chứng được  khả năng sử dụng hệ men phân cắt hạn chế PstI tại gốc nhạy cảm với methyl hóa (methylation-sensitive restriction enzyme) nhằm tạo ra thư viện DNA cần thiết. So sánh với phương pháp “Infinium array SNPs”, thì phương pháp “GBS SNPs” làm tăng sự hiệu quả trong dự đoán giá trị “LD decay” và phân biệt được các subgroups của quần thể nghiên cứu. GWAS được sử dụng có 30.363 chỉ thị SNPs xác định được 189 tổ hợp độc đáo QTL marker–trait associations (QTL-MTAs) bao phủ trên tất cả tính trạng nghiên cứu. Phần lớn QTL-MTAs có từ GBS SNPs làm rõ hơn hiệu quả của cơ sở đánh giá kiểu gen de novo với marker dầy đặc trong nội dung khắc phục sai lệch nào đó xảy ra và cung cấp sự hiệu đính chính xác hơn rất nhiều lần đối với nhiều mức độ khác nhau của mối liên quan trong những mô hình toán của GWAS. QTL đích được dự đoán nhờ GWAS  đối với các tính trạng quan trọng trước đây cũng như tại các địa điểm trong hệ gen mới được tìm thấy. Bởi nghiên cứu hiện nay khai thác “genome-wide genotyping” và tìm ra được “de novo SNP” đồng thời trên tập đoàn giống khoai tây tứ bội biểu hiện một đa dạng di truyền lớn hơn của giống khoai tây đanh canh tác, Các MTAs co chuỗi trình tự được đánh dấu hầu như có khả năng di chuyển cao hơn trong ngân hàng gen cây khoai tây, làm tăng khả năng sử dụng phục vụ chiến lược cải tiến giống “genomics-assisted breeding” đối với những tính trạng có mức độ phức tạp lớn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04651-8

Biến dị di truyền hệ gen ty thể bộ và chuỗi trình tự có tính chất “intergenomic” trong các loài cây cao su Hevea.

Nguồn: Yingfeng Niu, Chengwen Gao, Jin Liu. 2024. Mitochondrial genome variation and intergenomic sequence transfers in Hevea species. Front Plant Science; 2024 Apr 10: 15:1234643. doi: 10.3389/fpls.2024.1234643. 

Trong các loài của chi Hevea, cao su (Hevea brasiliensis) là loài quan trọng bậc nhất cung cấp mủ cao su thiên nhiên. Trong nhiều nghiên cứu trước đây, người ta giải trình tự hệ gen trong nhân và hệ gen trong thể lạp (chloroplast) của các loài thuộc chi Hevea, cung cấp một nguồn thông tin vô giá để nghiên cứu di truyền huyết thống, tính trạng kháng bệnh, cải tiến giống. Tuy nhiên, hệ gen của ty thể bộ (mitochondria) rất phức tạp, rất khó để tập họp so với hệ gen của nhiều cơ quan khác, người ta biết rất ít về”mitochondrial genome”, hệ gen này làm hạn chế sự hiểu biết đầy đủ về tiến hóa của chi Hevea. Nghiên cứu tiến hành giải trình tự và tập hợp các “mitochondrial genomes” của 4loài thuộc chi Hevea. Bốn “mitochondrial genomes” này có cầu nối GC nhất quán trong việc sử dụng codon và nối AT. Tuy nhiên, có sự khác nhau đáng kể trong độ dài của trình tự genome và độ dài của trình tự lập lại (repeats). Đáng chú ý là, hệ gen ty thể bộ hình vòng tròn (circular) của 4 loài Hevea này biến thiên từ 935.732 đến 1.402.206 bp, với 34-35 gen độc đáo mã hóa protein, 35-38 gen mã hóa tRNA, và 6-13 gen mã hóa rRNA. Bên cạnh đó, có 17.294-46.552 bp – đoạn phân tử di chuyển có tính chất “intergenomic” giữa chloroplast và mitochondria, bao gồm 8 gen bẩm sinh (psaA, rrn16S, tRNA-Val, rrn5S, rrn4.5S, tRNA-Arg, tRNA-Asp, và tRNA-Asn), các vùng “spacers” có tính chất “intergenic” và các chuỗi trình tự gen có tính chất không đầy đủ (partial gene sequences). Vị trí tiến hóa của các loài thuộc Hevea, rất quan trọng để hiểu các chiến lược thích nghi của nó và mối quan hệ với loài khác, được xác minh bằng kết quả phân tích di truyền huyết thống trên cơ sở các gen mã hóa protein trong hệ gen ty thể bộ của 21 loài thuộc Malpighiales. Kết quả nghiên cứu này không những cung cấp những luận đuểm đáng giá về kiến trúc và tiến hóa của hệ gen ty thể bộ của Hevea,  mà còn đặt nền tảng cho các nghiên cứu phân tử tiếp theo, nghiên cứu tiến hóa và chiến lược “genomic breeding” cải tiến giống cây cao su và các loài của Hevea, từ đó, cung cấp thông tin cho chiến lược bảo tồn và sử dụng tài nguyên di truyền thực vật.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38660449/

Hình: Cây gia hệ các loài của Malpighiales trên cơ sở trình tự DNA mã hóa protein trong ty thể bộ. Số kèm theo chữ là giá trị maximum likelihood bootstrap (BS = 100%).