Thành tựu trong nghiên cứu tiến hóa và cải tiến giống cây đậu phụng (tổng quan)

Nguồn: Hui Zhang, Yueyi Tang, Yunlai Yue, Yong Chen. 2024. Advances in the evolution research and genetic

breeding of peanut. Gene; 2024 Jul 20: 916:148425. doi: 10.1016/j.gene.2024.148425.

Đậu phụng là loài cây trồng quan trọng cung cấp dầu thực vật, lương thực và thực phẩm của Trung Quốc. Sự phát triển nhanh chóng công nghệ đọc trình tự DNA đã và đang làm tăng cường hoạt động nghiên cứu lĩnh vực có liên quan đến di truyền chọn giống đậu phụng. Bài tổng quan này ghi nhận lại tiến bộ trong nghiên cứu về nguồn gốc loài và sự tiến hóa cây đậu phụng, di truyền giống, markers phân tử và ứng dụng của chúng, genomics, bản đồ QTL  và những kỹ thuật sàng lọc di truyền. Vấn đề chính  của di truyền giống ở mức độ phân tử là: đậu phụng có nguồn di truyền khá hẹp trong giống canh tác trên ruộng, chuyển nạp gen đích không bền, cơ chế di truyền phân các tính trạng nông học chính không rõ ràng. Xem xét những thách thức quan trọng liên quan đến dầu ăn thực vật, và các vấn đề chủ chốt của sản xuất đậu phụng, người ta định hướng các nghiên cứu cấp bách như sau: Tiến trình thuần hóa de novo và việc khai thác các gen tối ưu từ quần thể đậu phụng hoang dại để cải tiến giống mới cao sản; Tích hợp cơ sở dữ liệu có tính chất “multi-omics” để tăng cường tính chất quan trọng của “big data” trong di truyền cây đậu phụng và cải tiến giống canh tác; Dòng hóa các gen quan trọng có liên quan đến những tính trạng nông học cần thiết và phân tíchnhững cơ chế điều tiết gen hợp lý; Mô hình chọn giống phân tử chính xác và sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen đich để cải tiến một cách đúng đắn những tính trạng chủ chốt của cây đậu phụng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38575102/

Phân tích di truyền tính kháng bệnh do Phytophthora sojae thông qua GWAS và liên kết di truyền của hệ gen cây đậu nành [Glycine max (L.) Merr.]

Nguồn: Hee Jin You, Ik Hyun Jang, Jung-Kyung Moon, In-Jeong Kang, Ji-Min Kim, Sungtaeg Kang & Sungwoo Lee.

2024. Genetic dissection of resistance to Phytophthora sojae using genome-wide association and linkage analysis

in soybean [Glycine max (L.) Merr.].Theoretical and Applied Genetics; November 8 2024; vol. 137; article 263

Có hai vùng mới trong genome  đậu nành, một vùng được biết có chứa gen R kháng với nấm Phytophthora sojae đã được người ta phân lập thành công thông qua GWAS và phân tích “linkage” trong hệ gen cây đậu nành.

Bệnh thối thân PRR (Phytophthora root and stem rot) do nấm Phytophthora sojae gây ra, là một bệnh hết sức nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về kinh tếtrong sản xuất đậu nành [Glycine max (L.) Merr.]. Phương pháp tiếp cận đầu tiên phục vụ quản lý bệnh này thành công thông qua việc sử dụng gen R kháng bệnh. Trên cơ sở đánh giá kiểu hình của 376 mẫu giống đậu nành canh tác, người ta xác định kiểu gen R kháng với P. sojae (isolate 2457), kết quả phân tích GWAS xác định được 2 vùng nằm trên nhiễm sắc thể 3 và nhiễm sắc thể 8.

Vùng có ý nghĩa nhất về thống kê (20.7–21.3 Mbp) trên nhiễm sắc thể 8 là locus mới điều khiển tính kháng, nơi ấy, không có gen Rps đã được báo cáo trước đây. Thay vì vậy, rất nhiều bản sao chép của họ gen mã hóa protein UDP-glycosyltransferase, gắn chặt với tính trạng kháng bệnh, được người ta chú thích di truyền trong locus mới này. Vùng thứ hai định vị trên nhiễm sắc thể 3 được biết rõ là Rps cluster.

Sử dụng quần thể con lai cận giao tái tổ hợp RIL của cặp lai Daepung × Ilpumgeomjeong, người ta phân tích giá trị liên kết (linkage analysis) xác định được hai loci kháng này và phân lập một locus kháng bệnh khác, trên nhiễm sắc thể 2. Một đặc điểm độc đáo của tính kháng bệnh ở giống đậu nành Ilpumgeomjeong là phân bố kiểu hình theo 8 nhóm của quần thể con lai RILs mang nhiểu tổ hợp gen của các alen kháng bệnh đối với 3 loci nói trên. Chú ý, có 7 nhóm mang ít nhất một alen kháng khác biệt có ý nghĩa thống kê từ nhóm khác với không có, bất kể số alen kháng là bao nhiêu. Như vậy, ba gen kháng khác nhau theo thứ tự có thể gắn với tính trạng kháng mẫu phân lập nấm P. sojae số 2457. Khai thác ba vùng mục tiêu này thông qua “marker-assisted selection”, người ta sẽ dễ dàng hơn cái tiến tính kháng một cách hiệu quả đặc biệt là các mẫu phân lập nấm P. sojae trong chương trình cải tiến giống đậu nành cao sản kháng bệnh.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04771-1

Sàng lọc nhân tạo hai “E3 ubiquitin ligases” có tính đối kháng hoàn thiện được sự thích nghi với quang chu kỳ và năng suất đậu nành

Nguồn: Fan Wang, Shuangrong Liu, Haiyang Li, Chao Fang, Sijia Fang, Jianhao Wang, Shichen Li, 

Huan Liu, Haiping Du, Lingshuang Wang, Xinxin Pei, Bohong Su, Zhihui Sun, Quan Li, Lidong Dong, Qun Cheng,

 Xiaohui Zhao, Baohui Liu, Sijia Lu, Fanjiang Kong, and Xiaoya Lin. 2024. Artificial selection of two antagonistic

E3 ubiquitin ligases finetunes soybean photoperiod adaptation and grain yield. PNAS; November 1, 2024; 121 

(45) e2321473121; https://doi.org/10.1073/pnas.2321473121

Sự điều tiết một cách chính xác thời gian trổ bông là tính trạng quan trọng của cây ví nó xác định sự thành công trong phát dục, đảm bảo chắc chắn tính thích nghi tối ưu đối với điều kiện ngoại cảnh tại chỗ, ảnh hưởng đến năng suất.“Soybean E2” là một thể tương đồng với GIGANTEA của cây Arabidopsis; nó có vai trò chủ lực trong đồng hồ sinh học và điều tiết sự trổ bông, cơ chế này đằng sau sự điều tiết protein của chúng vẫn chưa được biết rõ ràng. Vai trò của ZTL2 và FKF1s trong sự trổ bông đậu nành tùy thuộc vào E2, nhưng hai regulators này có ảnh hưởng đối kháng nhau trong sự ổn định protein E2.

ZTL2 làm tăng sự suy thoái protein E2, dẫn đến kết quả trổ bông sớm, trong khi đó, FKF1a và FKF1b làm ổn định E2, kết quả là làm chậm trể trổ bông. Chức năng có tính đối kháng như vậy cho phép cây đậu nành điều tiết tinh tế thời gian trổ bông của nó ở các vĩ tuyến khác nhau của trái đất và ở các vùng địa lý khác nhau.

Điều khiển chính xác thời gian trổ bông vô cùng quan trọng để cây trồng thích ứng với nhiều điều kiện ngoại cảnh khác nhau, rồi xác định được năng suất cũng như thích nghi của cây. Soybean E2, là gen đồng dạng với GIGANTEA của Arabidopsis, một locus chủ lực đóng góp vào sự thích ứng với vĩ tuyến cao và có trong sự nhạy cảm với quang chu kỳ. Tuy nhiên, do ảnh hưởng chính của E2, những loci di truyền mang tính bổ sung điều khiển được ngày trổ bông đậu nành và sự thích nghi; chúng đã và đang được người ta đánh dấu theo lịch sử và rất khó để phân lập chúng. Ở đây, thông qua phương pháp làm giảm E2, người ta xác định locus Tof9 điều khiển tính trạng trổ bông mà trong đó, ZEITLUPE 2 (ZTL2) mới là gen đích. ZTL2 mã hóa protein có tên là F-box E3 ubiquitin ligase đồng dạng với protein ZEITLUPE của Arabidopsis và kết quả chỉ ra rằng nó có vai trò quan trọng trong lộ trình trổ bông có tính chất quang chu kỳ của đậu nành. ZTL2 tương tác về vật lý với E2 nhằm làm trung gian cho sự phân giải của nó. Lý thú là, cả hai ZTL2 và FKF1 đều thuộc họ protein F-box-type E3 ubiquitin-ligase, biểu hiện trái ngược nhay trong điều khiển đậu nành trổ bông. ZTL2 làm phân giải E2, dẫn đến trổ bông, trong khi FKF1 làm ổn định E2, kết quả là trì hoãn trổ bông. Cán cân giữa sự phân giả qua trung gian ZTL2 và sự ổn định qua trung gian FKF1 cho phép đậu nànhđiều tiết hết sức tinh vi thời gian trổ bông và tối đa hóa năng suất hạt. Trồng dòng độnt biến ztl2 ngoài đồng cho thấy nó cao hơn, trổ muộn hơn, các thông số liên quan năng suất đều tăng. Gen ZTL2 và FKF1b biểu hiện tương phản trong chọn lọc để thích ứng với vĩ tuyến. Sự điều tiết đối kháng này rất cần thiết cho khả năng thích nghi của cây đậu nành với sinh thái canh thác khác nhau, cho phép cây điều tiết ngày trổ của chúng tương ứng với quang chu kỳ và vĩ tuyến.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2321473121

Phổ biểu hiện polyadenyl hóa có tính chất tuần tự về tính kháng và tính nhiễm bệnh bạc lá lúa (Oryza sativa L.) thông qua kỹ thuật “RNA-seq”

Nguồn: Shaochun Liu, Shuqi Luo, Dewei Yang, Junying Huang, Xinlei Jiang, Shangwei Yu, Junru Fu, Dahu Zhou,

 Xiaorong Chen, Haohua He, Haihui Fu. 2024. Alternative polyadenylation profiles of susceptible and resistant rice

(Oryza sativa L.) in response to bacterial leaf blight using RNA-seq. BMC Plant Biol.; 2024 Feb 28; 24(1):145. doi: 10.1186/s12870-024-04839-6.

Thuật ngữ APA được viết tắt từ chữ “alternative polyadenylation” (polyadenyl hóa thay đổi luân phiên) là một hợp phần quan trọng trong điều tiết sau khi phiên mã của gen hiện hữu phổ biếntrong sinh vật bậc cao eukaryotes, bao gồm tiến trình sinh lý thực vật và phát sinh bệnh. Tuy nhiên, rất thiếu các nghiên cứu về vai trò của “APA profile” trong bệnh bạc lá lúa.

Trong nghiên cứu này, tác giả so sánh “APA profile” của giống lúa nhiễm bệnh bạc lá (CT 9737-613P-M) và giống lúa kháng bệnh (NSIC RC154) kèm theo chủng bệnh nhân tạo. Thông quan phân tích mức độ phong phú của gen đích, người ta thấy các gen này từ hai giống lúa nói trên biểu hiện điển hình các vị trí theo khoảng cách của poly(A) (PA); các vị trí ấy có vai trò rất khác nhau tùy theo loại hình của 2 giống, có cơ chế điều tiết APA khác biệt. Trong tiến trình này, nhiều gen kháng bệnh BB biểu hiện nhiều phân tử transcripts thông qua APA. Bên cạnh đó, người ta còn thấy co 5 yếu tố mang tính chất polyadenyl hóa của các hợp phần giống nhau khi biểu hiện trong cây lúa, phác thảo ra vai trò cựa trọng của năm yếu tố nói trên khi cây lúa phản ứng với sự xâm nhiễm của bệnh bạc lá về locus PA hết sức đa dạng.

Đáng chúy ý là, nghiên cứu này cung cấp những thay đổi cơ học lần đầu tiên về APA của cây lúa trong phản ứng đầu tiên với stress sinh học và đề ra rằng có một liện hệ của APA trong phản ứng miễn nhiễm thực vật, phản ứng này đặt ra một luận điểm căn bản về sự xác định có chiều sâu  vai trò của những sự kiện APA trong phản ứng với stress của cây và các tiến trình sống khác nữa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38413866/

Hình: Phổ biểu hiện của vị trí poly(A)(PA) thuộc tính trạng kháng bệnh và tính trạng nhiễm bệnh.