Knockdown gen β-conglycinin α′ và α subunits làm thay đổi thành phần protein hạt đậu nành, cải tiến tính chống chịu mặn

Nguồn; Rufei Yang, Yujie Ma, Zhongyi Yang, Yixiang Pu, Mengyu Liu, Jingyi Du, Zhiri Xu, Zefei Xu, Shanshan Zhang, Hengyou Zhang, Wei Zhang, Deyue Yu, Guizhen Kan. 2024. Knockdown of β-conglycinin α′ and α subunits alters seed protein composition and improves salt tolerance in soybean. The Plant Journal; First published: 09 October 2024; https://doi.org/10.1111/tpj.17062

Đậu nành là nguồn protein thực vật quan trọng của thế giới. Nhu cầu protein thực vật gia tăng khiến người ta phải tiến hành cải tiến giống đậu nành có hàm lượng protein trong hạt tốt hơn. Theo nghiên cứu này, GmCG-1, gen mã hóa β-conglycinin α′ subunit, được xác định thông qua GWAS kết hợp với phân tích hệ thống transcriptome. Người ta tiến hành knocked down gen GmCG-1 và gen đồng dạng của nó GmCG-2 (paralogues); cùng với gen GmCG-3 nhờ hệ thống CRISPR-Cas9 rồi tạo ra hai dòng đột biến ổn định có tính chất “multigene” bị knockdown. Kết quả là, β-conglycinin giảm, trong khi 11S/7S ratio, protein tổng số và hàm lượng amino acid có lưu huỳnh tăng lên. Đáng ngạc nhiên là, dòng đột biến globulin biểu hiện được tính chống chịu mặn trong cả hai giai đoạn: nẩy mầm và tăng trưởng cây non. Người ta ít biết đến môi quan hệ giữa thành phần protein trong hạt với phản ứng với stress mặn của đậu nành. Phân tích hệ thống metabonomics và chạy trình tự RNA-seq cho thấy sa sánh với cây nguyên thủy (WT), dòng đậu nành đột biến này được hình thành thông qua lộ trình giống với sinh tổng hợp  tích cực salicylic acid; tuy nhiên, tổng hợp cytokinin biễu hiện nhiều khiếm khuyết hơn, mà khiếm khuyết ấy có thể dẫn đến kết quả tăng biểu hiện các proteins chống chịu mặn có nguồn gốc dehydrin và làm tăng các chất vận chuyển ion ở màng tế bào. Phân tích tiến hóa quần thể cho thấy GmCG-1, GmCG-2, và GmCG-3 được sàng lọc khi thuần hóa giống đậu nành. Các mẫu giống đậu nành mang gen GmCG-1^Hap1 biểu thị đặc trưng tương đối cao 11S/7S ratios và chống chịu mặn tương đối cao. Kết luận, knockdown gen  β-conglycinin α và α′ subunits có thể cải tiến được phẩm chất dinh dưỡng của hạt đậu nành, làm tăng tính chống chịu mặn của cây đậu nành, tạo ra chiến lược mới để thiết kế giống đậu nành cao sản có dinh dưỡng cao, chịu mặn tốt.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.17062

Chèn một nucleotide vào gen Rxp giúp cây đậu nành kháng bệnh “bacterial pustule”

Nguồn: Fumio Taguchi-Shiobara, Koji Takahashi, Ryoichi Yano, Rintaro Suzuki, Yuko Yokota, Toshimasa Yamazaki, Tetsuya Yamada, Takashi Sayama, Naohiro Yamada, Nobuhiko Oki, Toyoaki Anai, Akito Kaga & Masao Ishimoto. 2024. A single-nucleotide insertion in Rxp confers durable resistance to bacterial pustule in soybean. Theoretical and Applied Genetics; October 23 2024; vol.13y7; article 254

Hình: Triệu chứng bệnh “bacterial pustule” do vi khuẩn Xanthomonas axonopodis pv. glycines

Gen Rxp của đậu nành, mã hóa protein đóng vai trò yếu tố phiên mã bHLH  và domain ACT-like domain, có một alen rxp cho kết quả “truncated protein” (protein bị cắt) liên quan đến tính kháng bệnh vi khuẩn pustule do Xanthomonas axonopodis pv. glycines.

Trong đậu nành, bệnh “bacterial pustules” do vi khuẩn Xanthomonas axonopodis pv. glycines làm cây  rụng lá sớm khi chưa trưởng thành, làm giảm năng suất nếu điều kiện khí hậu nóng ẩm. Ở Hoa Kỳ, khoảng 70 năm trước đây, bệnh bacterial pustules giảm xuống nhờ du nhập vào giống mới một alen lặn, rxp, thuộc gen Rxp, biểu thị ví dụ kinh điển đầu tiên trong cải tiến giống đậu nành thành công có tính kháng bền vững ở vùng Bắc Mỹ. Trong nghiên cứu này, người ta phân lập được gen Rxp có tính lịch sử ấy từ các giống đậu nành kháng bệnh theo phương pháp positional cloning (dòng hóa có tính chất vị trí). Vùng có độ lớn phân tử 1,06 Mb nơi gen Rxp được ghi nhận định vị, được thu hẹp lại còn 11,1 kb mang một gen đơn, Glyma.17g090500. Alen kháng này, rxp, có một “T insertion” (chèn thêm vào một nucleotide là T). Thử nghiệm bổ sung alen Rxp vào cây kháng đã xác nhận được gen Rxp. Sản phẩm của alen ‘wild-type” nhiễm bệnh, Rxp, được cho là protein của yếu tố phiên mã có tên “basic helix–loop–helix (bHLH)” với một aspartate kinase, chorismate mutase, và TyrA (ACT)–like domain. Gen này chủ yếu biển hiện ra ở các lá mở rộng, và homologs của nó (gen tương đồng) được xác định có trong phân bố gen của thực vật hạt kín (angiosperms). Có tất cả 6 alen được ghi nhận: bốn từ biến dị di truyền tự phát, bao gồm dòng wild-type và 3 dòng đột biến mã hóa “truncated proteins”, hai alen từ đột biến “ethyl methanesulfonate”, bao gồm một alen mã hóa một “truncated protein” và  một alen có tính chất “missense”. Kết quả đánh giá tính kháng của sáu alen này cho thấy đột biến kiểu “loss of function” của RXP làm giảm đáng kể vết bệnh “bacterial pustule” trên lá. Nghiên cứu cung cấp luận điểm khoa học về rxp allele của đậu nành, liên quan đến tính kháng bền vững đối với bệnh “bacterial pustules”.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04743-5

Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas12a là chiến thuật knockout microRNA của thực vật

Nguồn; Xuelian Zheng, Xu Tang, Yuechao Wu, Xiaoqin Zheng, Jianping Zhou, Qinqin Han, Yalan Tang, Xinxuan Fu, Jiao Deng, Yibo Wang, Danning Wang, Shuting Zhang, Tao Zhang, Yiping Qi, Yong Zhang. 2024. An efficient CRISPR-Cas12a-mediated MicroRNA knockout strategy in plants. First published: 14 October 2024; https://doi.org/10.1111/pbi.14484

Những năm gần đây, người ta thường sử dụng hệ thống CRISPR-Cas9 nuclease để knock out các gen MicroRNA (miRNA) trong cây trồng, thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu chức năng của miRNA. Tuy nhiên, do xu hướng tạo ra những “insertions và deletions” cực nhỏ, nên Cas9 không thích hợp tốt để có được một knockout hoàn toàn trong các gen miRNA.

Trái lại, CRISPR-Cas12a nuclease tạo ra những deletions lớn hơn, mà điều này có thể làm gián đoạn đáng kể cấu trúc thứ cấp của phân tử pre-miRNA và ngăn ngừa được sản sinh ra phân tử miRNAs trưởng thành. Thông qua nghiên cứu tình huống gen OsMIR390 của cây lúa, người ta xác định được Cas12a là công cụ hiệu quả hơn Cas9 để phát sinh ra knockout mutants của một gen miRNA nào đó. Để chứng minh thêm là knockout nhờ CRISPR-Cas12a các gen miRNAs trong cây lúa, người ta nhắm đến chín gen OsMIRNA có biểu hiện khác nhau theo không gian và thời gian, chưa được nghiên cứu trước đây thông qua các phương pháp tiếp cận với knockout có tính chất di truyền. Theo hệ thống CRISPR-Cas12a, hiệu quả đạt 100% chỉnh sửa hệ gen được ghi nhận tại các loci của gen miRNA. Kết quả “deletions” lớn hơn cho thấy Cas12a tạo ra các “null alleles” hết sức mạnh mẽ của  “miRNA genes”. Phổ biểu hiện trong hệ thống transcriptome của những đột biến miRNA, cũng như kết quả đánh giá kiểu hình của hạt lúa đều cho thấy được chức năng của những miRNAs này trong điều khiển biểu hiện gen và điều tiết phẩm chất hạt và sự phát triển hạt mầm. Nghiên cứu ghi nhận CRISPR-Cas12a là một công cụ hữu hiệu trong “genetic knockout” các gen miRNA của thực vật.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14484

Kéo dài sức sống của hạt và tăng cường phẩm chất hạt thóc, thông qua chỉnh sửa gen OsLOX1 nhờ hệ thống CRISPR/Cas9

Nguồn: Changling Mou, Yaping Chen, Ping Zhang, Qikai Tong, Ziyan Zhu, Tengfei Ma, Ping Wang, Kai Fu, Cheng Chen, Yunshuai Huang, Fulin Zhang, Qixian Hao, Min Zhang, Shijia Liu, Ling Jiang & Jianmin Wan. 2024. Prolongation of seed viability and grain quality in rice by editing OsLOX1 using CRISPR/Cas9. Molecular Breeding; 12 October 2024; vol.137; article 72

Sự hư hỏng hạt thóc (Oryza sativa L.) ảnh hưởng đến phẩm chất hạt và sức sống của hạt mầm trong quá trình tồn trữ trong kho. Lipoxygenase (LOX), một enzyme chủ chốt trong biến dưỡng lipid, ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ lão hóa. Ở đây, tác giả tìm thấy knock-out gen lipoxygenase - OsLOX1 thông qua hệ thống CRISPR/Cas9 làm trì hoãn được sự mất sức sống và phẩm chất hạt. Phân tích hệ transcriptome cho thấy trong thời gian tồn trữ, OsLOX1 ảnh hưởng đến sự phiên mã của nhiều gen, bao gồm các gen có liên quan đến biến dưỡng lipid và liên quan đến chu trình “antioxidant” ví dụ phosphatase và acetaldehyde dehydrogenase, mà enzyme này có thể điều tiết khả năng tồn trữ hạt giống trong kho bao lâu. Những gen ấy điều tiết theo kiểu down và up, diễn ra trong giống Ningjing 4, sau khi NA trong 13 tháng và 3 ngày trong AA; gợi ra rằng: OsLOX1 dường như làm tăng cường sức sống hạt giống lúa bằng cách tạo ra cân bằng giữa lão hóa và  tồn kho liên quan đến các gen, điều tiết khả năng tồn kho của hạt giống thông qua tổng hợp amino acid và các lộ trình có tính chất biến dưỡng. Hơn nữa, knock-out gen OsLOX1 không phải hệ thống CRISPR/Cas9 không những cải thiện được sức sống hạt giống, mà con có tác độ nhỏ trên những tính trạng nông học. Quan trọng hơn là, các dòng lúa đột biến do knocout gen OsLOX1 được chấp nhận trong năm 2019 (Agricultural Foundation of China Report No. 770). Kết luận, nghiên cứu cho thấy knock-out gen OsLOX1 có lợi cho mục đích kéo dài sức sống của hạt, có thể được ứng dụng trực tiếp trong sản xuất nông nghiệp nói chung.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s11032-024-01506-4

Đặc điểm nẩy mầm và hóa lý tính của dòng lúa nguyên thủy và dòng đột biến OsLOX1 knock-out.