Multiomics và phân lập gen liên quan đến tính trạng GI thấp protein cao của hạt gạo

Nguồn: Saurabh Badoni, Erstelle A Pasion-Uy, Sakshi Kor, Sung-Ryul Kim, Rhowell N Tiozon Jr, Gopal Misra, Reuben James Q Buenafe, Luster May Labarga, Ana Rose Ramos-Castrosanto, Vipin Pratap, Inez Slamet-Loedin, Julia von Steimker, Saleh Alseekh, Alisdair R Fernie, Ajay Kohli, Gurudev S Khush, Nese Sreenivasulu. 2024. Multiomics of a rice population identifies genes and genomic regions that bestow low glycemic index and high protein content. PNAS; 2024 Sep 3; 121(36):e2410598121. doi:10.1073/pnas.2410598121.

Cùng với những nỗ lực nhằm chiến đấu với các tác động nhiều mặt của khiếm dưỡng, người ta rất cần có giống lúa thân thiên với bệnh nhân đái tháo đường, giống lúa giúp người ta khỏe hơn nhằm giải quyết sự hoành hành của bệnh tiểu đường trên qui mô toàn thế giới. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hànhphân tích di truyền các dòng cận giao tái tổ hợp (RILs) với tính trạng glycemic index (GI) thấp biểu hiện  “ultralow đến low” GI trong gạo và hàm lượng protein cơm cao (PC cao), thông qua tổ hợp lai Samba Mahsuri x IR36. Người ta tiến hành nghiên cứu genomics một cách toàn diện và nghiên cứu biến dưỡng bổ sung bởi những phân tích có tính mô phỏng để nhấn mạnh tầm quan trọng của gen OsSBEIIb và các gen ứng cử viên khác, chúng có biến dị di truyền khá rộng cho phép người ta tạo ra các dòng lúa theo ý muốn có GI thấp hơn và PC cao hơn trong giống lúa cao sản. Những dòng lúa này đặc trưng cho nguồn vật liệu bố mẹ phục vụ lai tạo nhắm đến mục tiêy an toàn lương thực và dinh dưỡng.

Để chống lại hiện tượng bệnh nhân tiểu được ngày càng tăng và đáp ứng nhu cầu protein trong thức ăn hàng ngày, người ta sáng tạo ra dòng lúa có glycemic index (GI) thấp và hàm lượng protein (PC) cao vượt 14%. Phát triển các dòng con lai RILs dẫn xuất từ cặp lai Samba Mahsuri x IR36 amylose extender (IR36ae) làm nguồn vật liệu lai, người ta xác định được những QTLs và gen đích liên quan đến tính trạng “low GI”, “high amylose content” (AC), và “high PC”. Tích hợp các phương pháp di truyền học với những mô phỏng kinh điển, phương pháp tiếp cận toàn diện này đã xác định được những gen ứng cứ viên định vị trên nhiễm sắc thể 2 (qGI2.1/qAC2.1 nằm trong vùng có độ lớn phân tử 18.62 Mb - 19.95 Mb), ảnh hưởng đến tính trạng “low GI” và “high amylose”. Đáng chú ý là, biến thể về kiểu hình với giá trị cao gắn với alen lặn điều khiển tính trạng starch branching enzyme 2b (sbeIIb). Dòng lúa mang gen sbeIIb được chỉnh sửa xác định kiểu hình GI thấp trong hạt gạo. Hơn nữa, những phối hợp giữa các alen được tạo ra thông qua các chỉ thị phân tử SNPs có ý nghĩa từ các tổ hợp theo chủ đích và đặc biệt từ các gen tương tác với nhau cho thấy kiểu hình “ultralow GI” với hàm lượng amylose cao, protein cao. Phân tích metabolomics (hệ biến dưỡng) của cây lúa có đa dạng kiểu hình tính trạng AC, PC, và GI cho thấy rằng những dòng lúa ưu việt với AC và PC cao, GI thấp được ưu tiên gia tăng lên trong quá trình biến dưỡng glycolytic và amino acid, trong khi đó, các dòng AC thấp và PC thấp, GI cao được tăng lên rất nhiều trong quá trình biến dưỡng “fatty acid”. Con lai cận giao tái tổ hợp có  amylose cao, protein cao (HAHP_101) được gia tăng amino acids thiết yếu như lysine. Những dòng lúa như vậy có thể là rất phù hợp cho việc sản xuất thực phẩm phục vụ cho bệnh đái tháo đường và bệnh khiếm dưỡng.

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2410598121?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&rfr_dat=cr_pub++0pubmed

Yếu tố phiên mã chủ yếu điều tiết sự chín trái cà chua và sự tích lũy chất biến dưỡng

Nguồn: Huimin Jia, Yaping Xu, Yuanwei Deng, Yinhuan Xie, Zhongshan Gao, Zhaobo Lang, Qingfeng Niu. 2024. Key transcription factors regulate fruit ripening and metabolite accumulation in tomato. Plant Physiol.; 2024 Jun 28; 195(3):2256-2273. doi: 10.1093/plphys/kiae195.

Sự chín trái cà chua là tiến trình rất phức tạp bao gồm những thay đổi cơ học đến các chất biến dưỡng và được điều khiển bởi nhiều yếu tố, đó là protein đóng vai yếu tố phiên mã (TFs). Nhiều TFs là những regulators thiết yếu của hệ gen cà chua (Solanum lycopersicum) trng sự chín trái. Để đánh giá được ảnh hưởng của những TFs chuyên biệt trong tích tụ các chất biến dưỡng ở giai đoạn trái chín, người ta tích hợp phương pháp đột biến có chủ đích nhờ CRISPR/Cas9 với phương pháp phân tích hệ metabolome và transcriptome nhằm khai thác những cơ chế điều tiết tinh vi này. Đặc biệt là, người ta tạo ra được dòng cà chua thông qua kỹ thuật di truyền nói trên có khác biệt nhiều về hàm lượng chất biến dưỡng và màu sắc trái cà chua. Phổ biểu hiện “metabolite” và “transcript” cho thấy những TFs được chọn lọc có chức năng rất khác biệt nhau trong điều khiển hàm lượng chất biến dưỡng trong trái cà chua, đặc biệt là, carotenoids và đường. Bên cạnh đó, đột biến ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5) làm tăng hàm lượng đường fructose và glucose trong trái khoảng 20% (so với wild-type). Xét nghiệm in vitro cho thấy “HY5” có thể gắn trực tiếp với “G-box cis-element” trong promoter “Sugars Will Eventually be Exported Transporter (SWEET12c)” để kích hoạt sự biểu hiện, do vậy, điều chỉnh được sự vận chuyển đường. Phát hiện này cung cấp những hiểu biết về cơ chế điều tiết sự chín trái cà chua và mạng lưới biến dưỡng của cà chua, cung cấp cơ sở lý luận phục vụ cải tiến giống rau hoa cho quả ăn được với hương vị và màu sắc đa dạng

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38561990/

Chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR/CasRx hệ gen đậu nành kháng siêu vi gây khảm

Nguồn: Le Gao, Lijun Xie, Yanmin Xiao, Xinge Cheng, Ruosi Pu, Ziheng Zhang, Yu Liu, Shaopei Gao, 

Zilong Zhang, HaorQu, Haijian Zhi, Kai Li. 2024. CRISPR/CasRx-mediated resistance to Soybean mosaic virus in soybean

The Crop Journal; Volume 12, Issue 4, August 2024, Pages 1093-1101

Soybean mosaic virus (SMV), và RNA virus, là siêu vi phổ biến nhất, gây bệnh trầm trọng nhất trên các ruộng canh tác đậu nành. Hệ thống chỉnh sửa gen mới phát triển CRISPR/Cas immune cung cấp cho chúng ta một chiến lược mới để cải tiến tính kháng bệnh virus của cây đậu nành; do vậy, mục tiêu của nghiên cứu là thao tác kỹ thuật di truyền tính kháng SMV vào cây đậu nànhbằng hệ thống nói trên. Đặc biệt, các phân tử sgRNAs đa dạng được thiết kế nhằm xác định chính xác các dây “sense” có tính chất “positive- and/or negative” của gen siêu vi SMV HC-Pro. Tiếp sau đó, người ta thiết kế vector CRISPR/CasRx rồi chuyển nạp vào cây đậu nành. Sau khi chủng nguồn bệnh SMV, 39.02%, 35.77%, và 18.70% cây T₁ đã được người ta xác định biểu hiện rất kháng (HR), kháng (R), kháng trung bình (MR) với SMV, theo thứ tự, trong khi đó, chỉ có 6.50% cây nhiễm (S).

Song song, người ta thực hiện qRT-PCR và DAS-ELISA, kết quả cho thấy cả nghiệm thức 15 ngày và 30 ngày sau khi chủng (dpi), sự tích tụ siêu vi SMV làm giảm đáng kể hoặc thậm chí không thể phát hiện trong cây HR và cây R, theo sau là cây MR và cây nhiễm S. Bên cạnh đó, mức độ biểu hiện gen CasRx thay đổi phần lớn trong cây T₁ biểu hiện mức kháng bệnh khác nhau, cả nghiệm thức chủng 15 ngày và 30 ngày sau khi chủng bệnh. Tính kháng SMV được đánh giá ở thế hệ T_2. Kết quả giống như báo cáo của T₁. Kết quả cung cấp kiến thức mới về áp dụng CRISPR/CasRx để cải tiến giống đậu nành và mang lại chiến lược thay thế đầy triển vọng phục vụ cải tiến giống kháng với stress sinh học, góp phần đáng kể vào phát triển giống đậu nành cao sản kháng bệnh SMV.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514124001417

Knockout gen OsWOX13 làm kéo dài ngày trổ bông lúa khi ngày dài

Nguồn: Yeon-Ki Kim. 2024. Knockout of OsWOX13 Moderately Delays Flowering in Rice under Natural Long-Day Conditions. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 20 August 2024, zbae115;

https://doi.org/10.1093/bbb/zbae115

Thực vật rất nhạy cảm với quang kỳ, được phân nhóm với các hệ thống nhằm điếu tiết thở gian lúa trổ bông đáp ứng với thay đổi ngoại cảnh và các hormones phát triển. Trong nghiên cứu trước đây, người ta đã tạo ra được sự biểu hiện mạnh mẽ của gen OsWOX13  (OsWOX13-ov) và gen OsWOX13 knockout (oswox13-ko) thông qua hệ thống Cas9-CRISPR  giúp lúa trổ sớ hơn 10 ngày, trổ trể hơn 4 - 6 ngày so với dòng lúa nguyên thủy WT, theo thứ tự. Kết quả phân tích qRT‒PCR cho thấy OsWOX13 có khả năng phản ứng với stress khô hạn nhờ cơ chế thoát hạt (drought escape: DE) thông qua truyền tín hiệu b-ZIP TRANSCRIPTION FACTOR 23 (OsbZIP23) trong giai đoạn lúa trổ bông thông qua các gen co chức năng truyền tín hiệu quang chu kỳ, ví dụ như grain number, plant height and heading date (Ghd7), EARLY HEADING DATE 1 (Ehd1), RICE FLOWERING LOCUS T 1 (RFT1), Heading date 3a (Hd3a) và MADS14. Nghiên cứu trong tương lai về gen OsWOX13 có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về cây lúa: làm thế nào điều tiết ngày trổ bông theo các điều kiện bị stress và làm thế nào OsWOX13 có thể điều khiển một cách chính xác để có được năng suất tối đa trong chương trình cải tiến giống lúa.

https://academic.oup.com/bbb/advance- article/doi/10.1093/bbb/zbae115/7737669?login=false

Gen OsWOX13 bị knocked out thông qua hệ thống CRISPR/Cas9, tạo ra dòng đột biến oswox13-ko làm trì hoản ngày trổ bông dưới điều kiện ngày dài trong tự nhiên.