Biến dị di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa (tổng quan)

Nguồn: Muhammad Usama Younas, Muhammad Qasim, Irshad Ahmad, Zhiming Feng, Rashid Iqbal, Ashraf M M Abdelbacki, Nimra Rajput, Xiaohong Jiang, Bisma Rao, Shimin Zuo. 2024. Allelic variation in rice blast resistance: a pathway to sustainable disease management. Mol Biol Rep.; 2024 Aug 24; 51(1):935. doi: 10.1007/s11033-024-09854-2.

Bệnh đạo ôn lúa là vấn đề then chốt trong nông nghiệp, ảnh hưởng đến sản lượng lúa gạo toàn cầu và đe dọa an ninh lương thực thế giới. Bệnh đạo ôn do nấm Magnaporthe oryzae gây ra, dẫn đến hàng loạt nghiên cứu kể từ khi người ta tìm thấy lần đầu tiên gen kháng pib vào năm 1999. Các nhà nghiên cứu đã và đang phân lập được hơn 50 gen kháng khác định vị trên 8 / 12 nhiễm sắc thể cây lúa, mỗi gen chuyên tính với những chủng nòi nấm khác nhau của pathogen. Các gen ấy trải rộng trên 17 loci khác nhau. Chúng mang code protein NB (nucleotide-binding) và LRR (leucine-rich repeat), chúng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống bảo vệ cây lúa chống lại pathogen này, kể cả gen đơn hoặc kết hợp nhiều gen khác với nhau. Đặc điểm quan trọng của các gen nói trên là tương tác “allelic” hoặc tương tác “paralogous” hiện hữu trong nhiều loci. Những liên hệ ấy góp phần vào khả năng ngày càng tăng của gen đich đối với bản chất thích nghi tiến hóa. Khả năng của những proteins kháng để xác định và phản ứng với các effectors mới phát sinh được cải tiến nhờ sự xuất hiện đồng thời của biến dị di truyền trong các domains mà domains ấy tương ứng với việc ghi nhận của những effectors từ pathogen sản sinh ra. Mục đích của bài tổng quan này là tóm lược những thành tựu đã và đang có trong việc xác định các gen thiết yếu của cây lúa và nghiên cứu khả năng sử dụng những biến thể của gen (allelic variants) từ các gen đích, trong nổ lực cải tiến giống lúa tương lai, nhằm gia tăng tính kháng bệnh đạo ôn hiệu quả.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39180629/

Di truyền tính chịu khô hạn của bắp do gen ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37, giai đoạn cây non

Nguồn: Dongling Zhang, Shixiang Ma, Zhixue Liu, Yuwei Yang, Wenjing Yang, Haixia Zeng, Huihui Su, Yang Yang, Wanjun Zhang, Jing Zhang, Lixia Ku, Zhenzhen Ren, Yanhui Chen. 2024. ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37 module enhances drought tolerance in maize seedlings. Plant Cell Environ.; 2024 Sep; 47(9):3605-3618. doi: 10.1111/pce.14954.

Khô hạn, một yếu tố ngoại cảnh chủ yếu, cho thấy những hạn chế đáng kể tiến trình phát triển và năng suất cây trồng. PHDs được xác định là gen đáp ứng với stress trong phần lớn các loài sinh học thuộc eukaryotes. Tuy nhiên, cơ chế điều tiết đối với các gen PHD trong điều kiện stress phi sinh học chưa được người ta biết nhiều, cần phải nghiên cứu sâu hơn. Ở đây, các tác giả tiến hành phân lập gen đột biến, zmvil2, một đột biến bằng hóa chất EMS với vị trí đột biến C thành T trong đoạn exon của gen đích Zm00001d053875 (VIN3-like protein 2, ZmVIL2), cho kết quả “chấm dứt sớm mã hóa protein coding”.

ZmVIL2 thuộc họ protein PHD. So với dòng nguyên thủy WT, đột biến zmvil2 biểu hiện mức nhạy cảm tăng đối với stress khô hạn. Đồng thời, sự biểu hiện mạnh mẽ của gen ZmVIL2 làm tăng tính chống chịu khô hạn của cây bắp. Các nghiệm thức Y2H, BiFC, và Co-IP cho thấy rằng ZmVIL2 tương tác trực tiếp với ZmFIP37 (tương tác protein FKBP12 của 37). Đột biến knockout zmfip37 cũng biểu hiện tính trạng chống chịu khô hạn giảm đi. Lý thú là, người ta cho thấy ZmABF4 gắn kết trực tiếp với promoter của ZmVIL2 để làm tăng cường hoạt động của nó trong xét nghiệm “yeast one hybrid” (Y1H), xét nghiệm EMSA (electrophoretic mobility shift assay)  và xét nghiệm “dual luciferase reporter assays”. Do vậy, người ta phát hiện ra một mô hình mới ZmABF4-ZmVIL2/ZmFIP37 thúc đẩy khả năng chống chịu khô hạn của cây bắp. Tóm lại, phát hiện này làm giàu kiến thức nghiên cứu về chức năng của các gen PHD của hệ gen cây bắp và cung cấp nguồn vật liệu di truyền phục vụ cải tiến giống bắp cao sản chống chịu khô hạn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38747469/

OsNAC120 điều tiết sự tăng trưởng và tính trạng chịu hạn của cây lúa thông qua tích hợp tín hiệu GA và ABA

Nguồn: Zizhao Xie, Liang Jin, Ying Sun, Chenghang Zhan, Siqi Tang, Tian Qin, Nian Liu, Junli Huang. 2024. OsNAC120 balances plant growth and drought tolerance by integrating GA and ABA signaling in rice. Plant Commun.; 2024 Mar 11; 5(3):100782. doi: 10.1016/j.xplc.2023.100782. 

Tác động biện chứng giữa tín hiệu gibberellin (GA) và abscisic acid (ABA) rất cần thiết trong mối cân bằng giữa tăng trưởng thực vật và sự thích nghi của cây với stress phi sinh học. Tuy nhiên, cơ chế sinh học phân tử của sự đối kháng lẫn nhau ấy vẫn còn chưa được biết đầy đủ. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành knockout gen NAC của hệ gen cây lúa (NAM, ATAF1/2, CUC2) gen mã hóa yếu tố phiên mã OsNAC120 ức chế tăng trưởng của cây lúa nhưng lại tăng cường khả năng chịu hạn, trong khi đó, sự biểu hiện mạnh mẽ gen OsNAC120 cho ra kết quả trái ngược lại. Thêm GA ngoại sinh có thể cứu được kiểu hình cây lúa nửa lùn mang gen đột biến osnac120, và kết quả nghiên cứu sâu hơn cho thấy OsNAC120 tăng cường sinh tổng hợp GA thông qua tăng hoạt động phiên mã của gen sinh tổng hợp GA như OsGA20ox1 và OsGA20ox3. Protein DELLA ở đây là SLENDER RICE1 (SLR1) tương tác với OsNAC120 và cản trở khả năng giao tiếp (transactivation) của nó. Nghiệm thức xử lý GA có thể loại bỏ kết quả ức chế hoạt động transactivation như vậy và do protein SLR1 làm ra. Mặt khác, OsNAC120 điều hòa thụ động tính chống chịu khô hạn của cây lúa bởi ức chế sự đóng lại khí khổng kích hoạt ABA. Kết quả nghiên cứu động lực học cho thấy OsNAC120 ức chế sinh tổng hợp ABA thông qua ức chế sự phiên mã của gen mã hóa sinh tổng hợp ABA; đó là gen OsNCED3 và OsNCED4. Protein của cây lúa OSMOTIC STRESS/ABA-ACTIVATED PROTEIN KINASE 9 (OsSAPK9) tương tác với OsNAC120 và làm trung gian cho phản ứng phosphoryl hóa của nó, điều này mang lại kết quả làm thoái hóa OsNAC120. Nghiệm thức xử lý ABA làm tăng tốc sự thoái hóa OsNAC120 và làm giảm hoạt động “transactivation”. Như vậy, kết quả đã cung cấp bằng chứng OsNAC120 đóng vai trò quan trọng trong cân bằng tăng trưởng qua trung gian GA và chống chịu khô hạn qua kích hoạt ABA của cây lúa. Kết quả giúp chúng ta hiểu được cơ chế tac động qua lại giữa tăng trưởng thực vật và chống chịu stress; để cải tiến kỹ thuật di truyền tạo giống lúa cao sản chống chịu stress hiệu quả.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38148603/

Phenoxyacetic acid tăng cường sự cộng sinh nốt sần rễ đậu nành trong giai đoạn tăng trưởng nhanh

Nguồn:Weijun Li, Xinfang Zhu, Mengyue Zhang, Xifeng Yan, Junchen Leng, Yuhong Zhou, Like Liu, 

Dajian Zhang, Xianzheng Yuan, Dawei Xue, Huiyu Tian, and Zhaojun Ding. 2024. Phenoxyacetic acid enhances nodulation symbiosis during the rapid growth stage of soybean. PNAS; September 6, 2024; 121 (37) e2322217121

Chất tiết ra từ rễ hoạt động như những phân tử mang tín hiệu có ảnh hưởng đến sự tạo nốt sần của cây họ Đậu, nhưng cơ chế phân tử của các phân tử “nonflavonoid” vẫn chưa được khám phá đầy đủ. Nghiên cứu đã xác định được vai trò của phenoxyacetic acid (POA) trong tăng cường sự cộng sinh (symbiosis) ở giai đoạn cây đậu nành tăng trưởng nhanh. Người ta thấy rằng POA kích hoạt sự hình thành sợi “infection thread” do điều tiết theo kiểu up của gen GmGA2ox10, gen này mã hóa tính chất bất hoạt của GA cụ thể là men C20-GA2-oxidase. Bên cạnh đó, POA điều tiết sự phát triển nốt sần thông qua kích hoạt biểu hiện gen miR172c, từ đó loại bỏ Nodule Number Control 1 (NNC1). Người ta kiến nghị POA có thể tác động như phân tử truyền tín hiệu để bắt đầu cho sự hình thành nên nốt sần, cung cấp những hiểu biết độc đáo về ảnh hưởng của chất tiết từ rễ (root exudates) đối với cộng sinh của nốt sần.

“Root exudates” được biết là những tác nhân truyền tín hiệu ảnh hưởng đến sự hình thành nốt sần trong cây họ Đậu, nhưng cơ chế sinh học phân tử của nonflavonoid chưa được người ta khám phá. Số nốt sần trong rễ đậu nành vào giai đoạn khởi đẩu tăng trưởng cho thấy khác biệt đáng kể ở những thời điểm phát triển riêng biệt. Sử dụng phương pháp tích hợp trong phân tích hệ biến dưỡng (metabolomics analyses) đối với các chất tiết ra từ rễ và thí nghiệm hình thành nốt sần, người ta xác định được vai trò then chốt của bất cứ chất “root exudates” nào trong giai đoạn tăng trưởng nhanh để tăng cường hình thành nốt sần. Người ta thấy phenoxyacetic acid (POA) có tác động tích cực trong biểu hiện gen GmGA2ox10, do đó, POA tạo điều kiện cho vi khuẩn cộng xâm nhiễm và hình thành nên hình thái “infection threads” (sợi vi khuẩn xâm nhiễm). Bên cạnh đó, POA thực hiện kiểm soát có quy định đối với miR172c-NNC1 module nhằm tăng cường phát triển nốt sần đầu tiên (nodule primordia) và sau đó là gia tăng số nốt sần lên nhiều hơn. Kết quả cho thấy vai trò quan trọng của POA trong việc tăng cường hình thành nốt sần ở giai đoạn tăng trưởng nhanh của cây đậu nành.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2322217121

Chủng vi khuẩn Rhizobium kích thích những thay đổi trong thành phần cơ chất tiết ra từ rễ đậu nành.

• (A và B): Phân nhóm cơ chất tiết ra từ rễ của đậu nành không chủng vi khuẩn (A) và có chủng (B)
• (C và D): Số lượng (C) và tỷ lệ % (D) của mỗi phân nhóm cơ chất tiết ra từ rễ được so sánh giữa 2 nghiệm thức có chủng vi khuẩn và không chủng.