Tuần tin khoa học 510 (26/12/2016-01/01/2017)

DI TRUYỀN PHÂN TỬ CỦA TÍNH KHÁNG BỆNH RỈ SẮT TRÊN CÂY ĐẬU NÀNH (Phakopsora pachyrhizi Syd. & Syd.) GIỐNG DT2000 (PI 635999)

Nguồn: Tri D. Vuong, David R. Walker, Binh T. Nguyen, Tuyet T. Nguyen, Hoan X. Dinh, David L. Hyten, Perry B. Cregan , David Sleper, Jeong D. Lee, James G. Shannon, Henry T. Nguyen. 2016. Molecular Characterization of Resistance to Soybean Rust (Phakopsora pachyrhizi Syd. & Syd.) in Soybean Cultivar DT 2000 (PI 635999). [accessed Dec 12, 2016.]

Giống đậu nành kháng bệnh rỉ sắt SBR (soybean rust), do nấm Phakopsora pachyrhizi Syd.& Syd., gây ra; đã được ghi nhận trên nhiều mẫu giống trong ngân hàng gen đậu nành và biểu thị cả alen lặn cũng như alen trội được người ta lập bản đồ di truyền tạo sáu loci độc lập nhau (Rpp1±Rpp6), nhưng không có giống đậu nành nào của Mỹ biểu hiện tính kháng với SBR. Giống đậu nành Việt Nam DT2000 (PI635999) biểu hiện tính kháng với các mẫu phân lập P. pachyrhizi  trên đồng ruộng của Hoa Kỳ và của Việt Nam. Một quần thể các dòng cận giao tái tổ hợp (RIL) ở thế hệ F₆ và  F₇ được tạo ra từ tổ hợp lai Williams 82 × DT2000 để xác định các vùng gen đích trên genome cây đậu nành điều khiển tính kháng SBR trên đồng ruộng tại Hà Nội, Việt Nam và đồng ruộng của Quincy, Florida, năm 2008. Phân tích BSA (bulked segregant analysis) với bộ chuẩn SNP của đậu nành USLP  1.0 cùng với chỉ thị phân tử SSR, người ta tìm thấy các vùng của bộ genome đậu nành liên quan đến tính kháng SBR. Kết quả BSA xác định bốn chỉ thị BARC_SNP nằm gần với locus Rpp3 trên nhiễm sắc thể 6. Phân tích di truyền đã xác định một vùng có tính chất bổ sung (additional genomic region) xung quanh locus Rpp4 trên nhiễm sắc thể 18. Vùng này phối hợp một cách có ý nghĩa với kết quả biến thiên chỉ số bệnh AUBPC (area under disease progress curve) và kết quả quan sát bào tử tại Việt Nam. Những chỉ thị phân tử liên kết chặt chẽ với alen kháng bệnh của giống cho DT2000 định vị trên nhiễm sắc thể số 6 và số 18 sẽ rất có ích để áp dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và hồi giao cải tiến giúp người ta chồng các gen kháng với gen kháng bệnh SBR nhằm phát triển giống đậu nành mới có tính kháng bệnh bền vững hơn đối với SBR.

Hình 2: Vùng trên genome đậu nành và bộ chỉ thị BARC_SNP liên quan đên tính kháng bệnh rỉ sắt

Xem https://www.researchgate.net/publication/311550_Soybean_Cultivar_DT_2000_PI_635999

Di truyền tính trạng thời gian trổ bông của cây lúa: phối hợp kiến thức di truyền Mendel và genome học

Nguồn: Kiyosumi Hori, Kazuki Matsubara, Masahiro Yano. 2016. Genetic control of flowering time in rice: integration of Mendelian genetics and genomics. Theoretical and Applied Genetics; December 2016, 129 (12): 2241–2252

Phối hợp kết quả phân tích di truyền Mendel  và di truyền phân tử, ví dụ như bản đồ liên kết gen và QTL cloning, đã tăng cường một cách có ý nghĩa sự hiểu biết về di truyền  về tính trạng thời gian trổ bông của cây lúa. Thời gian trổ bông là một trong những tính trạng nông học quan trọng quyết định năng suất hạt của cây lúa (Oryza sativa L.). Tính trạng này được kiểm soát bởi các gen có liên quan đến tính cảm quang, đặc biệt đối với loài thực vật ngày ngắn như cây lúa. Từ đầu thế kỷ 20,  các nhà nghiên cứu và chọn tạo giống lúa đã và đang rất thú vị với việc làm rõ cơ sở di truyền của tính trạng trổ bông, bởi vì những cải biên của nó vô cùng quan trọng giúp cây lúa thích ứng với vùng sinh thái canh tác và tối ưu hóa năng suất lúa. Mặc dụ tính trạng này rất phức tạp được điều khiển bởi những QTL (quantitative trait loci), nhưng các phân tích di truyền kinh điển đã cho thấy rất nhiều gen phối hợp với nhau theo định luật di truyền Mendel. Việc giải mã trình tự genome đã mở ra một kỷ nguyên mới giúp chúng ta hiểu được cơ sở di truyền này đối với tính trạng trổ bông trên nền tảng kỹ thuật “genome-wide mapping” và “gene cloning”. Gen Hd1I (Heading date 1) là QTL đầu tiên điều khiển tính trạng trổ bông được phân lập trên cơ sở biến dị tự nhiên của  cây lúa. Tập họp các thông tin khoa học gần đây của genome cây lúa giúp cho chúng ta “dòng hóa” (cloning) được những QTL khác có liên quan, đó là những QTL có ảnh hưởng phụ (minor effects) đối với tính trạng trổ bông. Thông tin ấy cho phép chúng ta xem xét lại một vài gen liên quan đến trổ bông đã được xác định trước đây bằng di truyền Mendel. Những gen như vậy cho đến nay đã định tính tính trạng thời gian trổ bông, bao gồm gen Hd1, có liên quan rất đặc biệt với các chu trình quang kỳ. Trong bài tổng quan này, tác giả đã cung cấp một kết quả tổng thể trong nghiên cứu di truyền cho chúng ta sự hiểu biết sâu hơn di truyền tính trạng thời gian trổ bông của cây lúa, và hiện trọng cải tiến giống lúa với những triển vọng trong tương lai ngành chọn giống. Xem http://link.springer.com/article/10.1007/s00122-016-2773-4

Hình 3:   Phát triển các dòng đẳng gen (isogenic lines) từ giống lúa Nhật ‘Koshihikari’ với nhiều thời gian trổ bông khác nhau.  (a) Phần mềm Graphical Genotypes của các dòng lúa được phát triển. Du nhập gen mục tiêu trên các đoạn nhiễm sắc thể với gen đích qui định thời gian trổ bông (màu đỏ).  (b) Kiểu hình của các dòng đẳng gen với giống lúa ‘Koshihikari’ tại thời điểm trổ bông (color igure online)

Những hiểu biết mới về tuổi cây gắn liền với năng suất cây trồng

Tuổi cây (plant aging), hay thuật ngữ khoa học thường dùng là “senescence” (độ hóa già), là một tiến trình quan trọng trong chu kỳ sống của thực vật. Tiến trình ấy có ý nghĩa đặc biệt đối với thành công trong sinh học: hóa già sớm làm năng suất giảm, trong khi sự kiện hóa già muộn làm trì hoãn sự tái sử dụng chât dinh dưỡng, điều này có thể làm tác động đến sự sống của thế hệ tiếp theo đó. Trong bài báo mới đây được in trên tạp chí eLife, các nhà nghiên cứu của Đại Học Wisconsin - Madison mô tả làm thế nào một phức protein có tính chất “epigenetic” (di truyền biểu sinh) hoạt động như một sự liên kết giữa môi trường và bộ genome để hoạt hóa làm trễ sự hóa già của cây. Phức protein ấy là một histone deacetylase (HDAC) rất đặc biệt, gọi là HDA9. Nó giúp cho việc dịch mã các tín hiệu của môi trường, ví dụ như bóng tối, thành sự thay đổi có tính chất “epigenetic”. Các nhà khoa học tìm kiếm trong genome của cây Arabidopsis thaliana trong xem xét các vị trí của HDA9 kết nối. Họ tìm thấy bằng chứng là HAD9 đóng vài trò chủ chốt trong “senescence”. Nó hoạt động trên các gen được biết trước đó, mà những gen này mã hóa những hợp chất khác nhau của tuổi thực vật. Các nhà khoa học nói rằng: thông tin ấy sẽ cung cấp cho chúng ta một nguyên tắc là phát triển  một chiến lược mới để thao tác điều hành được tiến trình “lão hóa” của cây nhằm cải thiện năng suất cây tốt hơn. Xem UW-Madison website.

Hình: Một protein có tính chất “epigenetic” có tên gọi là HDAC khởi động tiến trình “lão hóa”, biểu thị trên màu sắc lá khác nhau vào mùa thu, theo kết quả nghiên cứu của UW–Madison.

KHÁC BIỆT TRÊN GENOME VỀ NHỮNG THAY ĐỔI DO METHYL HÓA DNA TRONG HAI GIỐNG LÚA ĐỐI LẬP NHAU VỀ CHỐNG CHỊU KHÔ HẠN

Nguồn: Wang W, Qin Q, Sun F, Wang Y, Xu D, Li Z, Fu B. 2016. Genome-Wide Differences in DNA Methylation Changes in Two Contrasting Rice Genotypes in Response to Drought Conditions. Front Plant Sci. 2016 Nov 8;7:1675. eCollection 2016.

Sự khác nhau trong phản ứng với điều kiện stress do khô hạn của các giống lúa là do tính đa dạng di truyền của chúng và những thay đổi có tính chất di truyền biểu sinh (epigenetic alterations). Sự methyl hóa (DNA methylation) là một cải biện quan trọng của di truyền biểu sinh. Nó ảnh hưởng đến nhiều tiến trình sinh học khác nhau, nhưng ảnh hưởng đến stress do khô hạn trên cây lúa còn chưa được hiểu đầy đủ. Theo nghiên cứu này, giải trình tự “methylated DNA” theo phương pháp “immunoprecipitation” và sử dụng công cụ phần mềm “Affymetrix GeneChip rice genome array” đã được ứng dụng để nghiên cứu phổ gen (profile) của các hợp phần DNA bị methyl hóa cũng như bộ “transcriptomes” của dòng lúa DK151 chống chịu khô hạn, so sánh với giống lúa IR64, nhạy cảm với khô hạn, là vật liệu làm mẹ, tái tục (recurrent) trong điều kiện khô hạn và đối chứng. Sự du nhập DNA của nguồn cho đã kích thích được sự methyl ghóa DNA trên qui mô rộng (genome-wide DNA methylation) của cây lúa DK151. Có tất cả 1190 vùng bị methyl hóa khác nhau, gọi là DMRs (differentially methylated regions). Chúng được tìm thấy giữa hai giống bố mẹ trong điều kiện bình thường, và các gen  DMR trong giống DK151 chủ yếu chỉ phản ứng khi có stress, lập trình sự chết của tế bào, và hoạt động bảo tồn dưỡng chất trong cây. Điều ấy góp phần giúp cây chống chịu khô hạn. So sánh những thay đổi trong methyl hóa DNA của hai giống trong điều kiện khô hạn cho thấy rằng cây lúa DK151 có nhiều methylome ổn định, chỉ có 92 DMRs so với cây lúa IR64 với 506 DMRs khác nhau. Phân tíh “gene ontology” của những gen có liên quan đến DMR trong cây lúa đã xử lý khô hạn cho thấy rằng những thay đổi về sự methyl hóa DNA của những gen đặc hiệu của giống lúa nao đó phối hợp với sự kiện điều tiết theo kiểu “epigenetic” khi đáp ứng lại stress khô hạn. Phân tích transcriptome giúp người ta xác định một loạt 12 có trong giống DK151 và và 23 gen có trong giống IR64, khi xử lý stress khô hạn so với nghiệm thức đối chứng. Phân tích hệ số tương quan cho thấy sự kiện methyl hóa DNA có nhiều ảnh hưởng khác nhau đối với sự thể hiện của gen, ngụ ý rằng nó ảnh hưởng rõ ràng trên sự thể hiện gen một cách trực tiếp hay gián tiếp thông qua nhiều lộ trình điều tiết rất đa dạng. Kết quả cho thấy những thay đổi do khô hạn gây ra đối với methyl hóa DNA có thể ảnh hưởng đến một cơ chế epigenetic nào đó làm điều hòa sự thể hiện của những gen độc nhất có chức năng chống chịu stress khô hạn. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27877189

Hình 2: Các thành phần khác nhau của methyl hóa DNA tại một vùng trên nhiễm sắc thể số 1 của giống lúa IR64 và DK151 trong điều kiện khô hạn và đối chứng.