Yếu tố phiên mã ZmDof22 làm tăng tính chống chịu hạn nhờ điều tiết đóng mở khí khổng và hoạt tính enzyme “antioxidant” của cây bắp (Zea mays L.)

Nguồn: Liru Cao, Feiyu Ye, Abbas Muhammad Fahim, Chenchen Ma, Yunyun Pang, Xin Zhang, Qianjin Zhang & Xiaomin Lu. 2024. Transcription factor ZmDof22 enhances drought tolerance by regulating stomatal movement and antioxidant enzymes activities in maize (Zea mays L.). Theoretical and Applied Genetics; June 2024; vol. 137; article 132

Gen Dof22 mã hóa protein có bản chất kết gắn  deoxyribonucleic acid với một “finger” trong cây bắp, mà protein này có liên quan đến đến tính chống chịu khô hạn. Việc xác định các gen điều tiết phản ứng với stress khô hạn vô cùng cần thiết để cải tiến di truyền năng suất bắp. Kết gắn “deoxyribonucleic acid” với một finger (Dof), họ protein chức năng yếu tố phiên mã đặc biệt của thực vật, có trong cơ chế truyền tín hiệu, phát sinh hình thái, và phản ứng với stres bên ngoài. Theo nghiên cứu này, thông qua phân tích hệ tương quan WGCNA (weighted correlation network analysis) và phân tích phổ đồng biểu hiện của gen, có 15 gen giả định Dof được xác định trong cây bắp, chúng phản ứng với khô hạn và phục hồi khi tưới trở lại. Kết quả “real-time fluorescence quantitative PCR” cho thấy 15 gen này được kích hoạt mạnh mẽ nhờ khô hạn và xử lý ABA. Trong số đó, gen ZmDof22 bị kích hoạt mạnh nhất bởi khô hạn và xử lý ABA. Mức độ biểu hiện của gen này tắng gần 200 lần sau khi bị stress hạn và hơn 50 lần sau khi xử lý ABA. Sau khi bình thường lại điều kiện trồng, mức độ biểu hiện gen gần 100 lần và 40 lần đối với 2 nghiệm thức nói trên, theo thứ tự. Hệ thống Gal4-LexA/UAS và kết quả phân tích hoạt động phiên mã cho thấy gen ZmDof22 là một activator phiên mã điều tiết tính chống chịu khô hạn và tính trạng khả năng phục hồi của cây bắp. Hơn nữa, cây transgenic có biểu hiện mạnh mẽ và cây đột biến gen ZmDof22 qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9, cho thấy gen ZmDof22 này giúp cây bắp cải thiện được tính chống chịu hạn  thông qua kích hoạt đóng lại khí khổng, giảm mất nước, tăng cường hoạt tính enzyme “antioxidant” thông qua kết hợp với lộ trình ABA. Kết quả đặt nền tảng kiến thức về chức năng có chiều sâu của họ gen ZmDof  và cunbg cấp một luận điểm về vai trò của hệ thống điều tiết ZmDof22 trong quản lý cây chịu hạn và khả năng phục hồi của cây bắp.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04625-w

Kiến trúc tán lá thông minh của cây bắp làm tăng năng suất, mật độ trồng cao

Nguồn: Jinge Tian, Chenglong Wang, Fengyi Chen, Wenchao Qin, Hong Yang, Sihang Zhao, Jinliang Xia, Xian Du, Yifan Zhu, Lishuan Wu, Yan Cao, Hong Li, Junhong Zhuang, Shaojiang Chen, Huayuan Zhang, Qiuyue Chen, Mingcai Zhang, Xing Wang Deng, Dezhi Deng, Jigang Li & Feng Tian. 2024. Maize smart-canopy architecture enhances yield at high densities. Nature (2024); Published: 12 June 2024

Gia tăng mật độ cây trồng trên diện tích là chiến lược chủ chốt làm tăng năng suất bắp. Mật độ cây trồng lý tưởng được người ta gọi là ‘smart canopy’ (tán lá thông minh) với các góc lá ở tán lá khác nhau tối ưu hóa để làm tăng ánh sáng truyền qua tốt nhất cũng như quang hợp như mong muốn. Ở đây, người ta xác định leaf angle architecture of smart canopy 1 (lac1), một đột biến gen tự nhiên có ở những lá bắp trên cùng , lá ở giữa ít thẳng đứng hơn và lá dưới cùng tương đối ngang bằng. Gen đột biến lac1 đã và đang cải tiến được khả năng quang hợp đáng kể, làm suy yếu phản ứng “shade-avoidance” (tránh tán che) khi trồng bắp mật độ dầy. 

Gen lac1 mã hóa brassinosteroid C-22 hydroxylase mà enzyme này ưu tiên điều tiết tính trạng góc lá trên cùng. Thụ thể ánh sáng tên là “phytochrome A” (photoreceptors) tích tụ nhiều trong bóng râm và tương tác với protein TF có tên RAVL1 để làm tăng sự thoái hóa thông qua 26S proteasome, đo đó, tiết giảm được hoạt động của RAVL1 của gen lac1 và làm giảm mức độ brassinosteroid. Điều này làm giảm mạnh mẽ góc lá trên cùng trong cánh đồng trồng mật độ dầy. Thí nghiệm đại trà trên ruộng bắp chỉ ra rằng lac1 làm tăng năng suất bắp khi trồng dầy. Du nhập nhanh gen lac1 vào nguồn vật liệu bố mẹ, người ta đã làm chuyển đổi inducer của dòng haploid và phục hồi chỉnh sửa lac1 đồng hợp tử từ 20 dòng cận giao đa dạng. Dòng đơn bội kép được thử nghiệm rất cần có một kiến trúc theo kiểu tán lá thông minh. Tác gia cung cấp mục tiêu khá rõ và một chiến lược đang phát triển để có giống bắp cao sản chịu được mật độ trồng dầy, với gen lac1 như một công cụ di truyền để thao tác trong việc hình hành tán lá thông minh của bắp.

Xem https://www.nature.com/articles/s41586-024-07669-6

Membralin rất cần thiết cho cây bắp phát triển; một nhánh của chu trình phân giải gắn ở võng nội chất thực vật

Nguồn:Baiyu Liu, Changzheng Xu, Qiuxia He, Ke Zhang, Shoumei Qi, Zhe Jin, Wen Cheng,

 Zhaohua Ding, Donghua Chen, Xiangyu Zhao, Wei Zhang, Kewei Zhang, and Kunpeng Li. 2024.

Membralin is required for maize development and defines a branch of the endoplasmic reticulum–associated degradation pathway in plants. PNAS; June 12, 2024; 121 (25) e2406090121; https://doi.org/10.1073/pnas.2406090121

Hệ vận hành màng võng nội chất ERAD [endoplasmic reticulum) (ER)-associated degradation] làm tăng cường trạng thái sinh lý “protein homeostasis” điều khiển bởi giảm đi những gấp cuộn đại phân tử protein bất thường hoặc không cần thiết, mà điều ấy cần “ER membrane-embedded complexes” tập hợp xung quanh men E3-ubiquitin ligases. Người ta tìm thấy ZmNLD1 mã hóa ER membrane–localized protein membralin và tương tác đặc biệt với RING domain-containing E3-ubiquitin ligases RNF185 và RNF5, hình thành nên một nhánh của chu trình ERAD  rất cần cho sự phát triển của cây bắp, độc lập với HRD1 kinh điển và Doa10 ERAD complexes. Kết quả của sự thiếu “membralin” làm tổn thương sự phát triển lá bên trong, làm chậm sự hình thành rễ, và làm cây bắp lùn xuống. Nhiều dòng bắp có triệu chứng ấy cho thấy ZmNLD1 có những modes giống nhau khi hoạt động trong ERAD với các đồng dạng của nó trong loài có vú, cho thấy rằng có sự bảo tồn trong quá trình tiến hóa của nhánh  membralin-mediated ERAD giữa động vật và thực vật.

ERAD [Endoplasmic reticulum (ER)–associated degradation] có vai trò quan trọng trong điều khiển các mức độ biểu hiện protein và phẩm chất của sinh vật eukaryotes. Protein RNF185 là “Ring Finger Protein 185 / membralin ubiquitin ligase complex mới gần đây được xác định là một nhánh của động vật có vú và rất cần thiết cho chức năng thần kinh, tuy nhiên, chức năng của nó trong phát triển thực vật chưa rõ. Các tác giả này ghi nhận map-based cloning và định tính đặc điểm của gen NLD1 (Narrow Leaf and Dwarfism 1), mã hóa protein có tên là ER membrane–localized protein membralin và tương tác hết sức đặc biệt với gen đồng dạng trong cây bắp RNF185 với các thành liên liên quan. Đột biến nld1 cho thấy có sự khiếm khuyết của lá rễ khi phát triển với số tế bào suy giảm. Sự khiếm khuyết của gen nld1 phần lớn được khôi phục bởi biểu hiện của membralin genes từ cây mô hình Arabidopsis thaliana và chuột, phác họa vai trò bảo bồn  của membralin proteins của động vật và thực vật. Sự tích tụ rất nhiều β-hydroxy β-methylglutaryl-CoA reductase trong cây đột biến nld1 cho thấy enzyme này là một mục tiêu của membralin-mediated ERAD. Hoạt động protein không gấp cuộn bZIP60 mRNA splicing đáp ứng với truyền tín hiệu và biểu hiện gen marker trong cây đột biến nld1, cũng như đoạn phân tử DNA và xét nghiệm sinh học “cell viability”, tất cả cho thấy thiếu membralin làm kích thích stress của Ervà làm tế bào chết trong cây bắp, đo vậy, ảnh hưởng đến phát sinh cơ quan. Kết quả khẳng định vai trò bảo tồn và vô cùng cần thiết của một nhánh membralin trong chu trình ERAD  của thực vật. ZmNLD1 góp phần vào kiến trúc cây theo kiểu cách mà nó phụ thuộc,  nó có thể  là một mục tiêu tiềm năng của công nghệ di truyền nhằm định hình cấu trúc cây trồng lý tưởng, nâng cao năng suất bắp trồng mật độ cao.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2406090121

GWAS giải thích alen kháng bệnh đạo ôn lúa của Ptr và Pia

Nguồn: Julian R Greenwood, Vanica Lacorte-Apostol, Thomas Kroj, Jonas Padilla, Mary Jeanie Telebanco-Yanoria, Anna N Glaus, Anne Roulin, André Padilla, Bo Zhou, Beat Keller, Simon G Krattinger. 2024. Genome-wide association analysis uncovers rice blast resistance alleles of Ptr and Pia. Commun Biol.; 2024 May 20; 7(1):607. doi: 10.1038/s42003-024-06244-z.

Một phương pháp quan trọng nhằm tối đa hóa sự hữu hiệu của GWAS trong cải tiến giống cây trồng là xác định cũng như minh chứng được những gen ứng cử viên theo kiểu phân tích di truyền “associations”. Điều này đặc biệt quan trọng trong cải tiến tính kháng bệnh, ở đó, các biến thể của alen trong những gen kháng thường liên quan đên đến tính kháng kiểu “distinct populations” (quần thể khác nhau), hoặc nòi địa lý của một pathogen nào đó. Ở đây, người ta chứng minh GWAS đối với gen kháng bệnh đạo ôn lúa của một tập đoàn giống lúa hơn 500 mẫu giống khác nhau. Để làm dễ dàng trong phân lập gen ứng cử viên, người ta tạo ra “de-novo genome assemblies” của mười mẫu giống lúa có mức độ kháng đạo ôn khác nhau. Những “genome assemblies” như vậy làm dễ dàng hơn cho việc xác định và minh chứng chức năng của những alen mới trong gen kháng đạo ôn Ptr và Pia. Người ta phát hiện ra một chuỗi alen đối với gen Ptr không hữu dụng, và các alen mang tính chất bổ sung (additional alleles) của gen Pia: RGA4 và RGA5. Liên kết các thành phân mang tính chất di truyền “associations” này lại với nhau, có ba nghìn hệ gen cây lúa được xem là công cụ hữu ích phục vụ mội nỗ lực cải tiến giống lúa trong tương lai. Kết quả cho thấy GWAS khi được kết hợp với whole-genome sequencing sẽ là công cụ rất mạnh mẽ phục vụ dòng hóa gen đích và làm dễ dàng  việc sàng lọc các alen kháng chuyên biệt.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38769168/

Hình 1: GWAS tìm thấy có hai associations điều khiển tính kháng bệnh mạnh mẽ trên nhiễm sắc thể 11 và 12 gần loci của gen Pia và Ptr, theo thứ tự.