Toàn cảnh phiên mã theo không gian và thời gian các tế bào phôi trong tiến trình hạt lúa nẩy mầm

Nguồn: Jie Yao, Qinjie Chu, Xing Guo, Wenwen Shao, Nianmin Shang, Kang Luo, Xiaohan Li, Hongyu Chen, Qing Cheng, Fangyu Mo, Dihuai Zheng, Fan Xu, Fu Guo, Qian-Hao Zhu, Shuiguang Deng, Chengcai Chu, Xun Xu, Huan Liu, Longjiang Fan. 2024. Spatiotemporal transcriptomic landscape of rice embryonic cells during seed germination. Dev Cell; 2024 Sep 9; 59(17):2320-2332.e5. doi: 10.1016/j.devcel.2024.05.016.

Đặc điểm của tế bào trong tiến trình nẩy mầm hạt thóc là kiến thức rất cần thiết để hiểu chức năng sinh học vô cùng phức tạp của tế bào phôi khác nhau khi điều tiết cường lực hạt giống và sự hình thành cây mạ non. Người ta tiến hành hoàn chỉnh giải pháp theo không gian thông qua “omics sequencing” (trình tự của genome và transcriptome): gọi là Stereo-seq; thông qua trình tự của “single-cell RNA”  gọi là scRNA-seq để ghi nhận lại transcriptomes đơn bào của phôi lúa khi nẩy nầm. Mô phỏng có tính chất phân đoạn tế bào tự động, sử dụng “deep learning”, được người ta phát triển  nhằm đáp ứng được yêu cầu khi phân tích. Những transcriptomes có tính chất không gian ấy được xử lý hấp thụ (imbibition) sau 6, 24, 36, và 48 giờ công bố, với cả hai loại hình tế bào phôi được biết rõ và chưa biết rõ (chưa được báo cáo trước đây), đó là, 2 loại hình “scutellum cell” chưa biết, được chứng thực bởi kết quả “in situ hybridization”  và kết quả khai thác chức năng của “marker genes”. Cón phổ biều biện “transcriptomics” theo thời gian đã khoanh vùng được động thái biểu hiện gen đích trong các loại hình tế bào phôi khác nhau khi hạt tiến hành nẩy mầm, phác họa những gen chủ chốt nào có trong cơ chế biến dưỡng của dưỡng chất, trong sinh tổng hợp, và trong sự truyền tín hiệu các phytohormones, đã tái lập trình theo tính chất rất riêng của loại tế bào. Kết quả cung cấp hệ thống transcriptome chi tiết theo không gian và thời gian của phôi hạt thóc và cho thấy phương pháp luận chưa có trước đây để khai thác vai trò của tế bào phôi khác nhau khi hạt thóc nẩy mầm.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38848718/

Knockout gen mã hóa “sugar transporter OsSTP15” làm tăng năng suất hạt thông qua sự đẻ nhánh khỏe, làm tăng hàm lượng đường ở gốc chồi thân cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn; Mingjuan Li, Hongye Li, Qidong Zhu, Dong Liu, Zhen Li, Haifei Chen, Jinsong Luo, Pan Gong, Abdelbagi M Ismail, Zhenhua Zhang. 2024. Knockout of the sugar transporter OsSTP15 enhances grain yield by improving tiller number due to increased sugar content in the shoot base of rice (Oryza sativa L.). New Phytol.; 2024 Feb; 241(3):1250-1265. doi: 10.1111/nph.19411. 

Protein có tên là “Sugar transporter proteins: STPs) có vai trò quan trọng trong điều tiết tính chống chịu stress của cây, trong tăng trưởng và phát triển. Tuy nhiên, vai trò của protein STPs trong điều tiết năng suất còn biết rất ít. Nghiên cứu này nhằm làm rõ cơ chế mà troong đó người ta knockout sugar transporter OsSTP15 làm tăng được năng suất lúa nhờ tăng số chồi thân của cây lúa. OsSTP15 được phát hiện là gen biểu hiện rất đặc biệt ở gốc chồi thân và ở vỏ bọc mạch  dẫn của cây mạ non, gen này mã hóa “transporter” có tên là “plasma membrane-localized high-affinity glucose efflux transporter”. Người ta tiến hành knockout gen OsSTP15, kết quả là tổng hợp sucrose và trehalose-6-phosphate (Tre6P) tăng lên ở lá lúa, cải tiến được vận chuyển sucrose đốc gốc chồi thân nhờ kích hoạt sự hiện diện của sucrose transporters. Hàm lượng glucose, sucrose, và Tre6P đều cao hơn theo kết quả quan sát ở gốc chồi thân của các cây lúa stp15. Phân tích transcriptome và metabolome gốc chồi thân cho thấy dòng knockout OsSTP15 đã điều tiết theo kiểu “up”  sự biểu hiện của tổng hợp cytokinin (CK) và các gen có liên quan đến tiến trình truyền tín hiệu, làm tăng các mức độ CK. Kết quả cho thấy dòng knockout OsSTP15 ức chế sự phóng thích glucose từ tế bào chất và đồng thời làm tăng cường vận chuyển đường  từ lá lúa đền gốc chồi thân nhờ thức đẩy quá trình tổng hợp sucrose và Tre6P ở lá lúa. Sự tích tụ ngay sau đó của glucose, sucrose, và Tre6P ở gốc chồi thân thúc đẩy sự đẻ nhánh nhờ kích hoạt dược lộ trình tính hiệu CK.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38009305/

Sự nguyên phân thay vì giảm phâm – Cải tiến giống cà chua mang toàn bộ vật chất di truyền  của cả hai bố mẹ trong quần thể con lai

Nguồn: Charles J. Underwood. 2024. Mitosis instead of Meiosis - Researchers breed tomato plants that contain the complete genetic material of both parent plants. Max Planck Institute for Plant Breeding Research, May 2024.

Trái cà chua có được bởi giống cà chua tứ bội thể (với 48 nhiễm sắc thể) kết quả do lai giữa hai dòng cà chua khác nhau MiMe.  © Yazhong Wang

Hai lai, kết hợp giữa bố mẹ khác nhau có tính trạng nông học rất riêng, là sự kiện phổ biến trong nông nghiệp, chúng tạo ra mùa vụ bội thu, năng suất cao và đã được nông dân chấp nhận trong hàng trăm năm nay. Hiệu suất tăng lên của giống lai F1 được gọi là “hybrid vigour” (cường lực lai), hoặc heterosis, đặc điểm này được quan sát ở nhiều loài cây trồng (hay loài động vật). Tuy nhiên, ảnh hưởng ưu thế lai không duy trì được ở thế hệ con lai sau đó bởi sự phân lý của các thông tin di truyền. Do vậy, hạt lai mới phải được sản xuất hàng năm, tốn kém công sức và thời gian, không áp dụng hết cho các loài cây trồng. Cho nên, làm thế nào những đặc điểm có lợi có thể duy trì, mã hóa của các gen trong cây hybrid, được truyền lại cho thế hệ sau sau như thế nào?

Chung nhất là, vật liệu di truyền tải qua quá trình thay đổi trạng thái khi giảm phân (meiosis) – phân chia tế bào cần thiết xảy ra của sinh vật sinh sản hữu tính. Sự xáo trộn này (reshuffling) bởi phân lý ngẫu nhiên của nhiễm sắc thể và  tái tổ hợp nguyên phân (meiotic recombination), điều này quan trọng trong  tạo ra các cấu hình di truyền mới, có lợi trong quần thể tự nhiên và trong quá trình tuyển chọn cá thể con lai. Tuy vậy, trong cải tiến giống, một khi có sự kết hợp tuyệt vời, nhà chọn giống muốn giữ lại, không làm mất nó, thông qua xáo trộn các gen một lần nữa. Có một hệ thống mà người ta bỏ qua giảm phân, muốn đạt được trong tế bào giao tử đực, cái mà sự kiến ấy giống hệt cơ bản di truyền của bố và mẹ; để phục vụ cho nhiều ứng dụng sau đó. Nghiên cứu này, Underwood và cộng sự của ông xây dựng một hệ thống, trong đó, người ta thay thế meiosis bằng mitosis, một phân bào giản đơn, trong loài cây trồng làm rau xanh phổ biến nhất, giống cá chua đang trồng. Cái gọi là MiMe system (viết tắt từ Mitosis instead of Meiosis) sự phân bào bắt chước mitosis, do vậy, bỏ qua được tái tổ hợp và phân ly, rồi sinh ra sex cells (gioao tử đực và cái) chúng là những clones chính xác của bố mẹ. Khái niện “MiMe system” đã và đang được đề xuấ bởi Raphael Mercier, Viện Trưởng, Max Planck Institute for Plant Breeding Research, chuyên về Arabidopsis và lúa. Đột phá của nghiên cứu mới này là lần đầu tiên cho các nhà nghiên cứu khai thác tế bào sinh dục vô tính trong kỹ thuật di truyền thông qua tiến trình mà người ta gọi với thuật ngữ “polyploid genome design” (thiết kế hệ gen đa bội).

Xem https://www.mpg.de/21914270/0513-zuch-pr-underwood-2024-en-151220-x

Phân lập toàn hệ gen và khai thác cơ sở dữ liệu liên quan đến MLP (major-latex protein) từ họ protein PR-10 với chức năng bảo vệ cây kháng lại “phytopathogen” trong cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Unchera Viboonjun, Rawit Longsaward. 2024. Genome-wide identification and data mining reveals major-latex protein (MLP) from the PR-10 protein family played defense-related roles against phytopathogenic challenges in cassava (Manihot esculenta Crantz). Genetica; 2024 Aug 31. doi: 10.1007/s10709-024-00211-6. Online ahead of print.

Dù đã được xác định từ nhiều công trình trước đây, nhưng protein PR-10 vẫn còn bị bỏ qua một cách tương đối, vẫn chưa được mô tả đầy đủ ở nhiều loài cây trồng. Nghiên cứu này khai thác một cơ sở dữ liệu đầy đủ, tiếp cận với phương pháp khai thác số liệu in silico định tính họ protein PR-10 trong cây sắn - loài cây trồng mang sự sống cho nhiều người trên thế giới. Người ta tập trung vào việc xác định in silico 53 protein PR-10 của sắn, chúng có thể được thành hai nhóm phụ (subgroups): 34 thuộc major latex proteins (MLPs) và 13 thuộc major allergen proteins, Pru ar 1, trên cơ sở tương quan di truyền huyết thống của chúng. Phân tích “collinearity” (tương đồng) hệ gen sắn với hệ gen cây cao su cho thấy có môi tương quan đồng dạng về tiến hóa  của gen PR-10 giữa hai loài Euphorbiaceae này, đặc biệt là nhiễm sắc thể 15. Chú ý, MLP423 và những protein MLP được xác định theo dữ liệu khác nhau của transcriptome hệ gen cây sắn khi phản ứng với stress sinh học đối với nhiều nguồn sinh vật gây bệnh khác nhau, bao gồm nấm gây anthracnose, viruses, và bacterial blight. Dự đoán phân tử “ligand” (tín hiệu vi sinh xâm nhiễm) và sự lắp ghép phân tử của 3 protein MLP423 cho thấy tính tương tác đầy tiềm năng giữa cytokinin và abscisic acid. Sự biểu hiện của chúng và mối quan hệ ràng buộc theo dự đoán được người ta thảo luận. Kết quả phác họa được vai trò của chúng như những contributors trong hệ thống bảo vệ cây sắn đối với bệnh hại chính.

See https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39215788/

Phân tích chức năng và phổ biểu hiện của gen MebHLH149 phản ứng với sự xâm nhiễm bệnh “Cassava Bacterial Blight” của cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Min Cui, Feifei An, Songbi Chen, Xindao Qin. 2024. Expression Pattern and Functional Analysis of MebHLH149 Gene in Response to Cassava Bacterial Blight. Plants (Basel); 2024 Aug 30; 13(17):2422. doi: 10.3390/plants13172422.

Sự suy giảm đáng kể năng suất củ sắn (Manihot esculenta Crantz) do bệnh CBB (cassava bacterial blight) là vấn đề cấp bách cần được quan tâm. Kết quả nghiên cứu tập trung vào yếu tố phiên mã TF có tên MebHLH149, rất tích cực khi có bệnh CBB xâm nhiễm và biểu hiện ở mức độ cao, cho thấy trong dữ liệu transcriptome. Khai thác của chúng tôi bao gồm chủng nòi vi khuẩn CHN01 Xanthomonas phaseoli pv. manihotis  (Xpm CHN01) và stres của hormone, cho thấy gen MebHLH149 tương tác với pathogen này và giai đoạn xâm nhiễm đầu tiên. Hơn nữa, gen MebHLH149 được tìm thấy phản ứng với abscisic acid (ABA), methyl jasmonate (MeJA), và salicylic acid (SA), biểu hiện vai trò tiềm năng trong sự truyền tín hiệu bởi hormones thực vật. Phân tích định vị của các protein trong tế bào cho thấy MebHLH149 ưu tiên có trong nhân. Thông qua xét nghiệm VIGS (virus-induced gene silencing) trong cây sắn, những cây bị câm gen MebHLH149 đều có kết quả nhiễm bệnh nặng hơn, tích tụ ROS ít hơn, diện tích đốm lá sắn to hơn đáng kể so với đối chứng. Proteins MePRE5 và MePRE6, được dự đoán có tương tác với MebHLH149, đã được minh chứng rằng điều tiết theo kiểu “down” khi phản ứng với nghiệm thức câm gen và “up” với nghiệm thực biểu hiện mạnh mẽ gen đích MebHLH149. Đây là tương tác tiềm năng giữa MebHLH149 và protein nói trên. Cả hai gen MePRE5 và MePRE6 đều có mặt trong phản ứng miễn dịch đầu tiên với bệnh CBB. Chú ý, MebHLH149 được xác định là một protein tương tác với MePRE5 và MePRE6. Theo đó, người ta giả thuyết rằng gen MebHLH149 có chức năng là một regulator tích cực trong cơ chế bảo vệ cây sắn chống lại bệnh CBB.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39273906/