GWAS tính trạng kháng bệnh thối thân trên tập đoàn giống đậu nành Canada

Nguồn: Deus Mugabe, Mohsen Yoosefzadeh-Najafabadi & Istvan Rajcan. 2024. Genetic diversity and genome-wide association study of partial resistance to Sclerotinia stem rot in a Canadian soybean germplasm panel. Theoretical and Applied Genetics; August 11 2024; vol.137; article 201

Hình: Triệu chứng Sclerotia stem rot.

Cải tiến giống đậu nành kháng bệnh là nội dung then chốt trong quản lý bệnh thối thân (Sclerotinia Stem Rot: SSR) của cây đậu nành. Người ta tiến hành phân tích GWAS trên tập đoàn giống đậu nành của Canada, phân lập được liên kết giữa tính trạng với chỉ thị phân tử và gen ứng cử viên, mở đường cho phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử.

Sclerotinia stem rot (SSR) do nấm Sclerotinia sclerotiorum gây ra, đây là một trong những pathogen quan trọng bậc nhất làm suy giảm nặng nề năng suất đậu nành tại Canada và trên thế giới. Phát triển giống đậu nành cao sản kháng bệnh thối thân vừa rẻ tiền, vừa đáng tin cậy để quản lý bệnh này. Tuy nhiên, việc cải tiến giống bị hạn chế bởi bản chất cực kỳ phức tạp của tính kháng bệnh về di truyền học đối với bệnh SSR của đậu nành. Nghiên cứu này nhằm tìm hiểu cơ sở di truyền tính kháng bệnh thối thân đặc biệt là các giống đậu nành đang trồng ở Canada. Theo đó, người ta sử dụng tập đoàn giống đậu nành gồm mẫu giống chia có thời gian sinh trưởng khác nhau và đa dạng di truyền, như đặc trưng của giống đậu nành Canada. Cây đậu nành được chủng nấm và sàng lọc tính kháng bệnh SSR trong m6i trường có kiểm soát, nơi ấy, biến thiên kiểu hình kháng bệnh SSR được quan sát. Tập đoàn được phân tích kiểu gen thông qua GBS (genotyping-by-sequencing) và số liệu “genotyping” được thu thập rồi xử lý bằng phần mềm BEAGLE v5 dẫn đến một catalogue 417 K SNPs. Thông qua phân tích GWAS (genome-wide association analyses) với phương pháp FarmCPU lấy chuẩn threshold của FDR-adjusted p-values < 0.1, người ta xác định được những chỉ thị phân tử SNPs có ý nghĩa thống kê định vị trên nhiễm sắc thể 2 và 9 biểu thị ảnh hưởng alen là 16.1 và 14.3, theo thứ tự. Phân tích sâu hơn cho kết quả là 3 gen ứng cử viên liên kết với tính kháng bệnh SSR  trên quãng phân tử có độ lớn 100 Kb mỗi gen là đỉnh của chỉ thị SNPs. Kết quả này quan trọng để phát triển chỉ thị phân tử để có thể thúc đầy kết quả chọn tạo giống kháng bệnh SSR tròng tại Canada.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04708-8

Tổng quan di truyền tính kháng sâu bệnh hại sắn

Nguồn; Valentine Otang Ntui, Jaindra Nath Tripathi, Samwel Muiruri Kariuki, Leena Tripathi. 2024. Cassava molecular genetics and genomics for enhanced resistance to diseases and pests. Mol Plant Pathol.; 2024 Feb; 25(2):e13432. doi: 10.1111/mpp.13432.

Sắn (Manihot esculenta) là một trong những nguồn cho calories quan trọng tại nhiệt đới, đóng vai trò trung tâm trong an ninh lương thực và kinh tế của biết bao nông dân sản xuất nhỏ. Sản lượng sắn bị ức chế bới tấn công của sâu bệnh hại, phổ biết là bệnh CMD (cassava mosaic disease: khảm lá sắn) và bệnh CBSD (cassava brown streak disease: bệnh sọc nâu). Những bệnh này gây ra mất năng suất lớn, ảnh hưởng đến an ninh lương thực và an sinh của nông hộ nhỏ. Phát triển giống sắn kháng bệnh là cách rất tốt để gia tăng năng suất sắn. Mặc dù người ta ta đạt được một vài mức độ tính kháng bệnh như vậy, nhưng có hiện tượng tính kháng bị phá vỡ trong bệnh CMD. Việc đánh giá lại định kỳ về tính trạng kháng bệnh như vậy  rất cần thiết để chắc chắn rằng giống kháng còn khả năng chịu được áp lực tiến hóa của sâu bệnh hại sắn. Tiếp cận phương pháp chọn giống mới như genomic-assisted selection )chọn giống nhờ tiến bộ genomics) kết hợp với kỹ thuật công nghệ sinh học như kỹ thuật di truyền kinh điển hay chỉnh sử hệ gen (genome editing) có thể thúc đẩy được sự phát triển giống sắc kháng sâu bệnh hại. Bài tổng quan này tóm tắt những kết quả  phát triển gần đây và thảo luận khả năng ứng dụng di truyền phân tử và genomics để sản xuất giống sắn cao sản kháng được sâu bệnh hại.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10788594/

Triệu chứng bệnh trên lá sắn: (a) cassava mosaic disease; (b) lá khỏe mạnh.

Cải tiến giống lúa kháng thuốc cỏ qua tiến hóa nhân tạo

Nguồn: Jin Dong, Xin-He Yu, Jiangqing Dong, Gao-Hua Wang, Xin-Long Wang, Da-Wei Wang, Yao Chao Yan, Han Xiao, Bao Qin Ye, Hong Yan Lin, and Guang Fu Yang. 2024. An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding. PNAS August 12, 2024; 121 (34) e2407285121

Sự khám phá và kỹ thuật di truyền gen kháng thuốc cỏ biểu trưng cho ranh giới cực trọng của chọn giống hiện đại. Người ta tập trung vào làm sáng tỏ các cơ chế phức tạp, đặc biệt là trong họ protein rất thịnh hành là 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Inhibitor Sensitive 1-Like (HSL). Kiến trúcprotein của HSLs vô cùng phức tạp với nhiều thuốc cỏ khác nhau không những chỉ tìm thấy cách thức gắn kết ban đầu của cơ chất trong HSLs, mà còn giải thích được tính chọn lọc Biểu thị bản chất xúc tác của một vào thành viện của họ HSL. Từ những cấu trúc protein, người ta xác định được bốn residues rất cực trọng phục vụ hoạt động xúc tác. Khai thác phương pháp tiến hóa nhân tạo, những residues này được đột biến tạo ra kết quả làm tăng đáng kể tính kháng với thuốc cỏ gốc β-triketone của cây lúa. Kết quả này không những làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của HSLs kháng lại thuốc cỏ, mà còn cung cấp một con đường đầy hứa hẹn cho phát triển giống cầy trồng kháng thuốc cỏ.

Khám phá và thao tác kỹ thuật di truyền gen kháng thuốc cỏ là một thách thức cực kỳ trong cải tiến giống cây trồng. Nghiên cứu đã tập trung vào protein  4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Inhibitor Sensitive 1-Like (HSL), phổ biến ở thực vật bậc cao và biểu hiện hoạt tính xúc tác yếu đối với nhiều thuốc cỏ gốc β-triketone (β-THs). Cấu trúc tinh thể của protein HSL1A trong cây bắp rất phức tạp với β-THs đã được minh chứng rồi, xác định được 4 residues gắn kết với thốc cỏ và giải thích được hoạt tính yếu của HSL1A khi phản ứng với thuốc cỏ. Sử dụng phương pháp tiến hóa nhân tạo, người ta đã phát triển một loạt các dòng lúa đột biến HSL1 nhằm vào 4 residues này. Sau đó, các dòng đột biến ấy được đánh giá có hệ thống, xác định được những biến thể M10 có hiệu quả nhất trong cải biên β-THs. Cấu hình hoạt động ban đầu của cơ chất gắn với HSL1 cũng được tìm thấy trong những dòng đột biến này. Hơn nữa, sự biểu hiện mạnh mẽ của dòng lúa M10 làm tăng lên tính kháng có ý nghĩa  đối với β-THs, dẫn đến kết quả gia tăng gấp 32 lần (folds) làm tăng tính kháng với methyl-benquitrione. Kết luận, gen tiến hóa nhân tạo M10 có tiềm năng lớn để phát triển giống lúa kháng thuốc cỏ.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407285121

Phân tích transcriptome, giải phẩu học và hình thái học trong cơ chế điều tiết tính trạng chiều cao cây sắn

Nguồn; Zhaoqin Cai, Lixia Ruan, Wanling Wei, Wen He, Haixia Yang, Huixian Chen, Zhenhua Liang, Zhenling Huang, Xiu Lan, Xiufen Zhang, Ruolan Huang, Chunhui Zhao, Tianyuan Li, Longfei He, Hengrui Li. 2024. Morphological, anatomical, and transcriptomics analysis reveals the regulatory mechanisms of cassava plant height development. BMC Genomics; 2024 Jul 17; 25(1):699. doi: 10.1186/s12864-024-10599-2.

Sắn là một trong ba cây có củ chủ lực (khoai tây, khoai lang) và cây tứ sáu trong loài lương thực quan trọng của thế giới. Cải tiến năng suất vẫn là mục tiêu hàng đầu trong chọn tạo giống sắn. Chú ý, chiều cao cây tác động có ý nghĩa đến năng suất củ và phẩm chất củ; tuy nhiên, cơ chế phát triển chiều cao cây sắn vẫn chưa rõ ràng.

Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành xem xét các cơ chế liên quan đến chiều cao cây sắn thông qua phân tích kiểu hình, giải phẩu học, và transcriptomic. Kết quả phân tích kiểu hình và giải phẩu thực vật cho cây sắn thân lùn so với cây sắn thấn cao, biểu thị sự giảm đáng kể chiều cao và tăng đáng kể diện tích mạch mô lóng thân (xylem area). Trong khi đó, phân tích sinh lý thực vật cho thấy hàm lượng lignin của sắn thân lùn cao hơn đáng kể so với giống sắn thân cao. Chú ý, kết quả phân tích transcriptome  ở các mô lóng thân  xác định được nhiều gen chức năng DEGs (differentially expressed genes) bao gồm kết quả tổng hợp thành tế bào và mở rộng thành tế bào, sự truyền tín hiệu hormone thực vật, sinh tổng hợp phenylpropanoid, sinh tổng hợp flavonoid giữa 2 giống sắn thân lùn và thân cao.

Kết quả cho thấy mô tế bào của lóng thân (internode tissue), sự phân bào, lignin hóa thành tế bào thứ cấp, biểu hiện gen có liên quan đến hormone; chúng đóng vai trò quan trọng quyết định chiều cao cây sắn. Cuối cùng, nghiên cứu đã cung cấp cho chúng ta cách nhìn mới về cơ chế hình thái học chiều cao cây sắn, xác định được gen ứng cử viên điều tiết chiều cao cây, chúng có thể đóng vai trò là nguồn vật liệu di truyền đáng giá cgo cải tiến giống sắn cao sản, lùn, trong tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39020298/

Hình: So sánh đạc điểm kiểu hình giữa cây sắn XX048 và NZ199. (A) Chiều cao cây của XX048 và NZ199. Scale bars = 0.1 m. (B) Chiều cao cây của XX048 và NZ199 qua sáu giai đoạn phát triển; màu vàng camm là NZ199, màu blue nhạt là XX048. Thanh sai số chỉ giá trị SD. *** khác biệt có ý nghĩa ở p < 0.001.