Xa23 là protein kháng mang tính chất “executor” đối với bệnh bạc lá lúa với phổ kháng rộng

Nguồn: Wang C, Zhang X, Fan Y, Gao Y, Zhu Q, Zheng C, Qin T, Li Y, Che J, Zhang M, Yang B, Liu Y, Zhao K. 2015. XA23 Is an Executor R Protein and Confers Broad-Spectrum Disease Resistance in Rice. Mol. Plant

Các gen kháng (R) đối với (R) bệnh hại lúa mã hóa những proteins đều có những đặc điểm chung về cấu trúc phân tử. Tuy nhiên, cấu trúc của TALE (transcription activator-like effector) có liên quan với những gen R mang tính chất  “executor” (thực hiện) biểu thị tính đồng dạng về trình tựđối với bất cứ gen kháng nào được biết trước. Tác giả đã tiếp cận kỹ thuật dòng hóa gen trên cơ sở bản đồ (map-based cloning) và kỹ thuật dựa trên cơ sở TALE để phân lập và định tính gen Xa23, một gen R mới  mang tính chất executor dẫn xuất từ lúa hoang Oryza rufipogon biểu hiện phổ kháng rộng đối với bệnh bạc lá lúa do vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) gây ra. Xa23 mã hóa một protein có 113 amino acid chia sẻ 50% mức độ thống nhất  với protein R được biết mang tính executor - protein XA10. Phân tử xoắn helice có tính chất liên màng (transmembrane) trong XA23 cũng chồng lấp trên phân tử XA10. Không giống như gen Xa10, gen Xa23 khi phiên mã được kích hoạt một cách đặc biệt bởi AvrXa23, một thể hiện của TALE trong tất cả những mẫu phân lập Xoo (isolates) được thu trên đồng ruộng. Thêm vào đó, alen lặn (nhiễm) xa23 có một khung đọc mã (ORF) của Xa23 nhưng có vùng promoter khác hẳn bởi thiếu nhân tố kết gắn với TALE (EBE) đối với AvrXa23. Protein XA23 có thể kích hoạt một đáp ứng cực kỳ nhạy cảm (hypersensitive) trong cây lúa, thuốc lá, và cà chua. Kết quả này cung cấp một minh chứng đầu tiên về genome thực vật có họ gen R mang tính chất executor mà những thành viên của họ protein ấy thực hiện nội hàm thao tác chức năng của chúng cũng như phổ kháng bệnh cực rộng nhờ ghi nhận được những phân tử TALEs cùng họ hàng trong pathogen như vậy.

Xem: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25616388 trong tạp chí

Mol. Plant Dec 15 2014; pii: S1674-2052(14)00030-6. doi: 10.1016/j.molp.2014.10.010. [Epub ahead of print]

Tìm chức năng của gen đích thông qua kết quả chọn lọc dương tính – âm tính (PNS) của bộ gen cây lúa

Nguồn: Shimatani Z, Nishizawa-Yokoi A, Endo M, Toki S, Terada R. Tạp Chí Front Plant Sci. 2015 Jan 5;5:748. doi: 10.3389/fpls.2014.00748. eCollection 2014.

Gene targeting (GT) (tìm chức năng của gen đích) có liên quan đến sự cải biên có tính chất lập trình sẵn của các chuỗi trình tự trong bộ gen thông qua sự kiện tái tổ hợp tương đồng (homologous recombination được viết tắt là HR). GT là một công cụ rất mạnh đối với cả hai nội dung: nghiên cứu chức năng gen và chọn giống nhờ chỉ thị phân tử. Tuy vậy, trong nội dung chuyển nạp xảy ra ở loài thực vật bậc cao (transformation), tính chất NHEJ (non-homologous end joining: kết nối đầu cuối có tính chất không tương đồng) xảy ra mang tính chất khắc phục trong những tế bào sô ma, như sự kiện ẩn của GT thông qua tái tổ hợp tương đồng (HR-mediated GT). Chọn lọc dương tính hoặc âm tính (PNS: Positive-negative selection) là một phương pháp tiếp cận để khám phá ra kỹ thuật tìm chức năng gen đích thông qua HR (HR-mediated GT events) bởi vì nó có thể hạn chế rất nhiều NHEJ một cách hiệu quả nhờ sự biểu hiện một gen chọn lọc bằng marker có tính chất âm tính. Trong cây lúa, loài cây trồng chính của thế giới, kỹ thuật tìm chức năng gen đích thông qua PNS của những gen nội sinh hiện nay đã và đang đạt được kết quả rất tốt. Qui trình tìm chức năng gen này dựa trên nội dung PNS rất mạnh mẽ (kết quả chọn lọc âm tính – dương tính) với cách sử dụng diphtheria toxin ở đoạn phân tử A đóng vai như một marker âm tính, và thành công trong nội dung cải biên trực tiếp của nhiều gen nội sinh trong bộ gen cây lúa theo nhiều cách khác nhau. Bên cạnh đó, người ta thực hiện kỹ thuật “gene knock-outs” và kỹ thuật “knock-ins”, một cách thức bổ sung nucleotide vào một gen đích nào đó cũng cho kết quả tốt trong thời gian gần đây. Điều ấy cung cấp cho chúng ta một tóm tắt về sự phát triển của hệ thống “rice PNS”, phác thảo các tiện ích của kỹ thuật này. Nhiều dạng cải biên khác nhau của gen và “gene editing” nhằm mục tiêu phát triển công nghệ chọn tạo giống mới dựa trên chọn lọc dương tính – âm tính (PNS).

Xem http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25601872

Hình 1. Sơ đồ phác họa những cải biên của gen nhờ kỹ thuật GT trên cơ sở PNS.

(A) Hộp màu nâu chỉ ra gen mục tiêu có chức năng được tìm nhờ một trình tự của bộ gen trên đường mũi tên màu đen. Mũi tên màu nâu tiêu biểu cho promoter của gen này. (B) PNS vector đối với GT. Mũi tên màu xanh lá cây là những negative markers; mũi tên màu đỏ là “positive marker”. Hộp màu hồng là trình tự đoạn kết thúc phiên mã của En/Spm. Mũi tên màu xám là trình tự loxP. Mũi tên đánh dấu gấp đôi trên đầu dưới vector biểu thị vùng tương đồng đối với HR. đường thẳng màu xanh dương là trình tự của T-DNA. (C) HR xảy ra theo qui trình GT giữa gen đích và PNS vector. Đường thẳng in đậm màu đen và màu xanh dương biểu thị những trình tự DNA vừa tổng hợp nên trong genome và T-DNA, theo thứ tự. (D) Gene knock-out của gen đích nhờ sự kiện chèn đoạn (insertion) của một “positive marker” với En/Spm, nó có thể bị loại ra ngoài thông qua tái tổ hợp Cre-loxP xảy ra ngay sau đó bởi chèn vào “Cre gene” (mũi tên màu vàng). (E) Phản ứng của knock-out gene (D) bởi tái tổ hợp Cre-loxP. (F) Sự bù đấp vào của những nucleotide(s) hoặc một nucleotide nào đó (đường màu đỏ), chèn đoạn, và mất đoạn tại gen đích có thể được kích hoạt nhờ thiết lập một nhánh tương đồng (homology arm) trong PNS vector của nội dung (B) và loại trừ marker dương tính có tính chất bổ sung bằng tái tổ hợp Cre-loxP trong phần (D). (G) Cải biên của “Gene knock-in” nơi ấy trình tự của promoter nội sinh được kết nối với trình tự của GUS coding (biểu thọ bằng hộp màu xanh dương với En/Spm). (H) Sự cải biên của “Gene knock-in” nới ấy trình tự mOrange coding, biểu thị bằng hộp màu vàng cam, được kết nối chính xác với stop codon của gen đích; cả hoạt động của promoter nội sinh và sự định vị của protein có từ gen đích mã hóa protein ấy. (I–K) Sơ đồ của những cây đang phân ly từ vị trí knock-in T₀ vào cây đồng hợp tử (I), cây dị hợp tử (J), và cây nguyên thủy (wild type) (K). Biểu hiện GUS trên lá có màu xanh dương trong hình (I,J). Kiểu hình lùn trong hình (I) phản ánh gen đích đị đột phá.