Kết hợp lập bản đồ QTL và GWAS để tìm gen đích điều khiển tính trạng số lá bao cùi bắp (maize husk)

Nguồn: Zhenjuan Liang, Na Xi, Tao Liu, Minglin Li, Mengxiang Sang, Chaoying Zou, Zhong Chen, Guangsheng Yuan, Guangtang Pan, Langlang Ma & Yaou Shen. 2024. A combination of QTL mapping and genome-wide association study revealed the key gene for husk number in maize. Theoretical and Applied Genetics; May 2024; vol.137; article 112

Hình: Lá bao cùi bắp (maize husk).

Hai gen đích Zm00001d021232 và Zm00001d048138 được phân lập thành công nhờ bản đồ di truyền QTL và phân tích GWAS. Bên cạnh đó, hai gen này được minh chứng về sự liên quan đáng kể đến tính trạng HN, số lá bao cùi bắp (maize husk number) thông qua kỹ thuật “gene-based association” (kiểu hình kết hợp trên cơ sở gen).

Là phụ phẩm của cây bắp, lá bao cùi bắp là nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp. Số lá bao cùi bắp (HN) là tính trạng nông học quan trọngảnh hưởng đến năng suất lá bao. Tuy nhiên, cơ chế di truyền của tính trạng HN chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu này phân tích 13 QTLsdiều khiển tính trạng HN thông quan quần thể IBM Syn 10 DH (đơn bội kép) tại nhiều địa điểm khác nhau. Trong đó, ba QTL được tìm thấy có tính chất lập lại trong cá thể ở ít nhất 2 địa điểm. Như vậy, người ta tìm thấy 26 chỉ thị phân tử SNPs độc nhất liên kết có ý nghĩa thống kê (p < 2.15 × 10^–6) với tính trạng HN theo “association pool”. Trong các SNPs, có 3 markers được tìm thấy cùng một lúc qua nhiều địa điểm hoặc môi trường khác nhau và ghi nhận được giá trị dự đoán BLUP (best linear unbiased prediction). Người ta tập trung xem xét các loci này phải ổn định theo môi trường và có đặc điểm chung nhất trong quần thể để khai thác gen ứng cử viên có chức năng đối với tính trạng HN. Cuối cùng có 173 gen ứng cử viên được xác định, trong đó, 22 gen ứng cử viên có trong cả phát triển cơ quan đa bào và đơn bào, kế tiếp, người ta xác định được gen ứng cử viên của tính trạng HN. Phân tích “gene-based association” cho thấy các biến thể di truyền này trong bốn gen tương quan có ý nghĩa (p < 0.01/N) với HN, trong số đó, gen Zm00001d021232 và Zm00001d048138 biểu hiện mạnh mẽ nhất trong lá bao cùi bắp và râu bắp ở giai đoạn phát triển sớm tại nhiều mô khác nhau. Kết quả nghiên cứu góp phần giải thích cơ chế di truyền phân tử của lá vỏ bao cùi bắp phục vụ công nghiệp trong tương lai.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04617-w

Kết quả nghiên cứu transcriptomics và metabolomics tìm ra gen đích điều khiển tính chống chịu khô hạn của cây bắp non

Nguồn: Yipu Li, Zhijun Su, Yanan Lin, Zhenghan Xu, Haizhu Bao, Fugui Wang, Jian Liu, Shuping Hu, Zhigang Wang, Xiaofang Yu, Julin Gao. 2024. Utilizing transcriptomics and metabolomics to unravel key genes and metabolites of maize seedlings in response to drought stress. BMC Plant Biol.; 2024 Jan 8; 24(1):34. doi: 10.1186/s12870-023-04712-y.

Stress khô hạn là hạn chế tăng trưởng và năng suất bắp, sự ấm lân tòn cầu và tần suất gia tăng của khí hậu cực đoan là kết quả của sự mất năng suất nhiều hơn trong tương lai. Do vậy, hiểu biết cặn kẽ về cơ chế phân tử giúp chúng ta biết được phản ứng của cây đối với khô hạn là điều cần thiết cho cải tiến giống chống chịu.

Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành thí nghiệm cây bắp non, giai đọan 3 lá với 2 dòng cận giao, dòng chịu hạn (si287) và dòng mẩn cảm với khô hạn (X178), tất cả được xử lý stress khô hạn trong 7 ngày, thí nghiệm trong buồng cấy. Sau đó, người ta đo lường các tính trạng sinh lý, rồi phân tích phổ biểu hiện transcriptomic và metabolic của 2 dòng bắp cận giao ấy. Kết quả phân tích KEGG của gen và chất biến dưỡng (metabolites) cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê trong lộ trình liên quan đến glycolysis/gluconeogenesis, sinh tổng hợp flavonoid, biến dưỡng tinh bột, biến dưỡng sucrose, sinh tổng hợp amino acids. Bên cạnh đó, kết quả phân tích tổng hợp xác định được proline, tryptophan và phenylalanine là những amino acids thiết yếu để bắp phản ứng với stress khô hạn. Hơn nữa, người ta tập trung xem xét tryptophan (Trp), nó làm tăng cường tính chống chịu thông qua tín hiệu IAA-ABA, cũng như SA và nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) là kết quả lấy ra gốc ô xi tự do ROS (reactive oxygen species). Người ta xác định được ba “hub genes” trong sinh tổng hợp tryptophan, indole-3-acetaldehyde oxidase (ZmAO1, 542,228), catalase 1 (ZmCAT1, 542,369), và flavin-containing monooxygenase 6 (ZmYUC6, 103,629,142), Biểu hiện cao của những gen này đóng vai trò quan trọng trong điều tiết chống chịu khô hạn. Hai chất biến dưỡng liên quan đến tổng hợp tryptophan, quinolinic acid, và kynurenine cải tiến được tính chống chịu hạn của cây bắp thông qua lấy ra gốc ô xi tự do.

Nghiên cứu này làm rõ cơ chế giải thích được phản ứng của cây bắp non đối với stress khô hạn. Đặc biệt là xác định được những gen ứng cử viên và chất biến dưỡng, làm giàu kiến thức của chúng ta về vai trò của tryptophan đối với stress mặn. Việc xác định các biến dưỡng khác nhau về tính kháng trong những dòng bắp cận giao sẽ giúp chúng ta dễ dàng hơn trong khai thác nguồn gen cây bắp và cải tiến giống bắp lai chống chịu hạn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38185653/

UDP-glycosyltransferases là những chỉ thị căn bản của cây chủ biểu hiện với các loài sâu Spodoptera

Nguồn: Huidong Wang, Jing Song, Benjamin J. Hunt, Kairan Zuo, Huiru Zhou, Angela Hayward, Bingbing Li, Yajuan Xiao, Xing Geng, Chris Bass, and Shutang Zhou. 2024. UDP-glycosyltransferases act as key determinants of host plant range in generalist and specialist Spodoptera species PNAS; April 29, 2024; 121 (19) e2402045121

Các yếu tố di truyền ảnh hưởng đến phổ thức ăn (diet breadth) của côn trùng phá hại mùa màng theo kiểu ăn trực tiếp (herbivorous insects) còn được hiểu biết rất ít. Nghiên cứu này minh chứng được gen mã hóa uridine diphosphate (UDP)-glycosyltransferase (UGT) có vai trò quan trọng của khả năng loài sâu thuộc chi Spodoptera sử dụng nguồn thức ăn từ cây chủ bất kỳ, do vậ,hoạt động như một chỉ thị quan trọng (determinants) của phổ ký chủ. Người ta tìm thấy một cơ chế bảo thủ sử dụng UGT của hệ thống giải độc hóa chất bảo vệ cây của các loài sâu thuộc chi Spodoptera, kết quả này cho phép sâu ăn được cây bắp, lúa mì, lúa. Tuy nhiên, cơ chế này đã bị mất đi trong loài sâu Spodoptera picta thông qua đột biến, khiến nó không thể ăn được. Kết quả cung cấp cho chúng ta kiến thức áp dụng sự cách tân ở mức độ phân tử rất cần sự thích nghi sinh thái và vai trò của gen đích “có được và mất đi” trong xác định phổ rộng của cây chủ đối với sâu.

Côn trùng ký sinh thực vật đã và đang tiến hóa các hệ thống giải độc rất tinh vi để khắc phục sự bảo vệ của cây nhờ hóa chất trừ sâu herbivore bởi cây chủ. Tuy nhiên, làm thế nào để hệ thống chuyển hóa sinh học này (biotransformation) khác biệt trong chi và trong loài của sâu hại cũng như vai trò của chúng xác định cây chủ của riêng từng loài vẫn còn là câu hỏi lớn. THí nghiệm cho thấy UDP-glucosyltransferases (UGTs) có vai trò quan trọng trong xác định phổ cây chủ rộng như thế nào đối với một loài sâu nào đó của chi Spodoptera. Phân tích so sánh hệ gen của các loài sâu Spodoptera khác biệt nhau về đối tượng cây chủ mà chúng ký sinh được xác định tương đối  số gen UGT trong từng loài, nhưng mức độ cao của gen giả UGT (gene pseudogenization) thuộc Spodoptera picta  rất phức tạp. Tiến hành knockout gen bằng hệ thống CRISPR-Cas9 của 3 chùm gen chính UGT của sâu Spodoptera frugiperda cho thấy các gen UGT33 có vai trò quan trọng cho phép loài này sử dụng cây bắp thuộc nhóm Hòa thảo, cây lúa mỉ, cây lúa nước làm thức ăn chính, trong khi đó, chùm gen UGT40 tạo điều kiện sử dụng cây bông vải làm thức ăn. Phân tích sâu hơn cho kết quả in vivo và in vitro xác định được UGT SfUGT33F32 là cơ chế then chốt cho phép sâu S. frugiperda giải độc được hóa chất benzoxazinoid DIMBOA (2,4-dihydroxy-7-methoxy-2H-1,4-benzoxazin-3(4H)-one), một phytotoxin diệt sâu do cây hòa thảo tiết ra. Tuy nhiên, khả năng giải độc có tính bảo thủ của các loài thuộc chi Spodoptera, loài Spodoptera picta, chuyên tính đối với cây Crinum (trinh nữ hoàng cung), không thể giải độc chất DIMBOA do đột biết làm bất hoạt chức năng trong gen SpUGT33F34. Như vậy, kết quả nghiên cứu cung cấp lý luận về vai trò của UGTs trong côn trùng đối với tính thích nghi trên cây chủ của chúng, cơ sở của sự chuyển tiếp tiến hóa giữa chi và loài; cũng như ghi nhận được các mục tiêu phân tử phục vụ việc kiểm soát nhộm nhóm các sâu hại chủ lực.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2402045121

OsSCYL2 điều tiết tín hiệu di truyền ABA trong sự nẩy mầm của cây lúa

Nguồn: Minyan Xu, Wei Zhang, Yuhuan Jiao, Qing Yang, Meng Chen, Hu Cheng, Beijiu Cheng, Xin Zhang. 2024. OsSCYL2 is Involved in Regulating ABA Signaling-Mediated Seed Germination in Rice. Plants (Basel); 2024 Apr 12; 13(8):1088. doi: 10.3390/plants13081088.

Sự nẩy mầm hạt lúa là kết quả của tiến trình sinh học đa dạng bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên trong và bên ngoài khác nhau. Nghiên cứu tiến hành xem xét vai trò điều tiết của gen OsSCYL2, được người ta xác định là một facilitator (nhân tố điều hành) sự nẩy mầm hạt lúa. Chú ý, cơ chế điều hành biểu hiện mạnh mẽ gen OsSCYL2 trong hạt vượt trội hơn đối tác nguyên thủy, cho thấy tiềm năng của gen OsSCYL2 làm tăng cường tiến trình phát triển. Thêm vào đó, kết qủa qRT-PCR khẳng định gen OsSCYL2 biểu hiện thông qua tiến trình nẩy mầm của lúa. Xử lý ABA ngoại sinh lên hạt và cây mạ non nhấn mạnh được sự nhạy cảm của OsSCYL2 đối với ABA trong suốt tiến trình nẩy mầm từ khi bắt đầu đến sau khi nẩy mầm. Phổ biểu hiện transcriptomic  khi biểu hiện mạnh mẽ gen OsSCYL2 cho thấy những thay đổi sâu sắc trong các lộ trình biến dưỡng, dòng thác truyền tín hiệu MAPK, và lộ trinh truyền tín hiệu  qua trung gian phytohormone, với 15 gen có liên quan đến lộ trình ABA với những thay đổi biểu hiện có có ý nghĩa. Xét nghiệm bổ sung in vivo và in vitro cho thấy có tương tác vật lý giữa OsSCYL2 và TOR, qua đó hàm ý OsSCYL2 có trong module âm tính của các gen co chức năng ABA, kết quả dẫn đến sự tác động hậu quả của động thái hạt nẩy mầm. Nghiên cứu làm rõ kiến thức mới về chức năng của OsSCYL2 trong điều tiết tiến hình hạt lúa nẩy mầm thông qua mô hình hóa lộ trình truyền tín hiệu ABA, do đó, làm tăng cường hiểu biết ý nghĩa chức năng của họ protein SCYL trong sinh lý cây trồng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38674497/

Phân tích tin sinh học OsSCYL2.

(A) phân tích kiến trúc protein OsSCYL2.

(B) Phân tích cis-elements trong vùng promoter của gen OsSCYL2.

(C) Phổ biểu hiện heatmap của OsSCYL2 trong các nghiệm thức khác nhau.