Tuần tin khoa học 529 (07-14/05/2017)

Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn tại Ấn Độ

Nguồn: Yadav MK, Aravindan S, Ngangkham U, Shubudhi HN, Bag MK, Adak T, Munda S, Samantaray S, Jena M. 2017. Use of molecular markers in identification and characterization of resistance to rice blast in India. PLoS One. 2017 Apr 26; 12(4):e0176236.

Bệnh đạo ôn lúa do nấm Magnaporthe oryzae gây ra, được xem như là đối tượng gây hại nghiêm trọng nhất cho sản xuất lúa của thế giới. Do đó, người ta nỗ lực tìm kiếm tính kháng bệnh thông qua cải tiến giống lúa bằng cách thanh lọc trên nương mạ đạo ôn và nghiên cứu tính đa dạng di truyền của 80 giống lúa được phóng thích tại Ấn Độ do Viện Lúa Cuttack (NRVs). Họ áp dụng chọn giống bằng chỉ thị phân tử liên kết với 12 gen kháng đạo ôn chủ lực (R) đó là Pib, Piz, Piz-t, Pik, Pik-p, Pikm Pik-h, Pita/Pita-2, Pi2, Pi9, Pi1 và Pi5. Ngoài ra, còn có 19 giống lúa khác (23.75%) biểu hiện tính kháng, 21 giống lúa kháng trung bình (26.25%), 40 giống lúa (50%) biểu hiện nhiễm bệnh trên nương mạ đạo ôn. Giống lúa có gen kháng R biến thiên từ 4 đến 12 và tần suất gen kháng thay đổi trong khoảng 0 đến 100%. Phân tích nhóm di truyềncho thấy 80 NRVs được phân ra thành hai cluster chính, ở giá trị tương đồng là 63% (genetic similarity coefficient). Giá trị PIC của 17 markers biến thiên từ 0 đến 0.37 với giá trị trung bình là 0.20. Ngoài 17 markers, chỉ có 5 markers, 195R-1, Pi9-i, Pita3, YL155/YL87 và 40N23r tương ứng với 3 gen có phổ kháng rộng, đó là Pi9, Pita/Pita2 và Pi5 chúng phối hợp với nhau có ý nghĩa khi bệnh đạo ôn xâm nhiễm vào cây lúa, giải thích được 3.5% - 7.7% biến thiên kiểu hình. Phân tích kiến trúc quần thể và PCoA phân ra 80 NRVs thành hai nhóm phụ (sub-groups). Kết quả nghiên cứu này giúp người ta hình thành nên chiến lược cải tiến giống lúa kháng bệnh đạo ôn thông qua nghiên cứu di truyền, tu7ong tác giữa ký sinh và ký chủ, xác định gen R mới, phát triển những giống lúa kháng mới thông qua chỉ thị phân tử tại Ấn Độ và trên thế giới.

Tính kháng bệnh đạo ôn được tăng cường cùng với tính chống chịu khô hạn của dòng lúa biến đổi gen

Nguồn: Wang Z, Han Q, Zi Q, Lv S, Qiu D, Zeng H. 2017. Enhanced disease resistance and drought tolerance in transgenic rice plants overexpressing protein elicitors from Magnaporthe oryzae. PLoS One. 2017 Apr 18;12(4):e0175734.

Việc áp dụng yếu tố ngoại sinh từ những “elicitors” là protein có tên gọi MoHrip1 và MoHrip2, được người ta xác định từ nấm gây đạo ôn cho cây lúa Magnaporthe oryzae (M. oryzae). Đây là những minh chứng trước đó, trong sự kiện tạo sự kích hoạt phản ứng siêu nhạy cảm (hypersensitive response) của cây thuốc lá, và bây giớ là tăng cường tính kháng bệnh đạo ôn của cây lúa. Các tác giả đã thành công trong chuyển nạp vào cây lúa rice gen mohrip1 và mohrip2 riêng biệt nhau. Protein MoHrip1 và MoHrip2 của cây lúa chuyển gen tạo ra tính kháng cao đối với bệnh đạo ôn, bên cạnh đó, nó còn chống chịu tốt với khô hạn hơn cây nguyên thủy (wild-type: WT) và cây lúa có “vector-control pCXUN”. Sự thể hiện của gen có liên quan đến  salicylic acid (SA) và abscisic acid (ABA) cũng tăng lên, chứng tỏ rằng hai elicitors này có thể kích thích sự truyền tín hiệu SA để bảo vệ cây lúa chống với thiệt hại do xâm nhiễm của pathogen và điều tiết hàm lượng ABA để tăng cường tính chống chịu hạn. Nhuộm phẩm màu trypan blue cho thấy có thể hiện của MoHrip1 và MoHrip2 trong cây lúa làm ức chế sự tăng trưởng của “hyphea” nấm gây đạo ôn. Hàm lượng nước tương đối (RWC: relative water content), hiệu quả sử dụng nước (WUE: water usage efficiency) và mức độ mất nước (WLR: water loss rate) được lấy số liệu cẩn thận để xác định khả năng đối với hiện tượng “water retention” trong cây lúa chuyển gen. Protein MoHrip1 và MoHrip2 của cây lúa chuyển gen còn biểu hiện các tính trạng nông học mong muốn như tăng chiều cao cây và tăng số chồi. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28419172

Chiến lược toàn cầu về quản lý vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae để khắc phục tình trạng áp lực ô xi thấp trong mạch dẫn truyền cây lúa

Nguồn: Wang J, Guo J, Wang S, Zeng Z, Zheng D, Yao X, Yu H, Ruan L. 2017. The global strategy employed by Xanthomonas oryzae pv. oryzae to conquer low-oxygen tension. J Proteomics. 2017 Apr 12. pii: S1874-3919 (17) 30126-4.

Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) là một vi khuẩn gây bệnh rất nặng nề cho canh tác lúa trên toàn thế giới với triệu chứng bệnh bạc lá (BLB). Áp lực ô xi thấp (low-oxygen tension) trong mạch dẫn truyền của cây lúa khi bị vi khuẩn Xoo xâm nhiễm. Nghiên cứu này phát hiện  những proteins phát sinh trong điều kiện “normoxic” (oxygen bình thường) và “hypoxic” (thiếu oxygen) thông qua công cụ HPLC (high-performance liquid chromatography) cùng với máy sắc ký khối phổ lồng ghép (LC-MS/MS) để nghiên cứu ảnh hưởng toàn cầu của môi trường thiếu oxygen trên vi khuẩn Xoo PXO99^A. Danh mục thống kê ghi nhận có 187 proteins (normoxia) và 140 proteins (hypoxia) có chức năng, cho phép tái cấu trúc lại chu trình biến dưỡng trung tâm (central metabolic pathways). Mười proteins có trong sinh tổng hợp amino acid thơm, phân giải glucose, biến dưỡng butanoate, propanoate và sự kết dính trong sinh học đều có liên quan đến áp lực ô xi thấp. Những gen này mã hóa proteins có tính chất mất đoạn. Ba gen được xác định v6 cùng cần thiết để tạo độc tố cho vi khuẩn Xoo. Ba gen này góp phần quan trọng trong chức năng tạo ra độc tố, bao gồm các polysaccharide ngoại bào, sự di động của tế bào và khả năng chống ô xi hóa (antioxidative ability).

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=xanthomonas+oryzae

Bản đồ haplotype của sắn cho thấy những đột biến mất đoạn trong khi gây giống vô tính

Nguồn: Ramu P, Esuma W, Kawuki R, Rabbi IY, Egesi C, Bredeson JV, Bart RS, Verma J, Buckler ES, Lu F. 2017. Cassava haplotype map highlights fixation of deleterious mutations during clonal propagation. Nat Genet. 2017 Apr 17.

Sắn (Manihot esculenta Crantz) là cây lương thực quan trọng của nhân loại đặc biệt tại Châu Phi và Nam Mỹ; tuy nhiên, những đột biến mất đoạn thường gặp có thể gia tăng đáng kể trong quá trình tiến hóa thích nghi của giống sắn. Muốn đánh giá những đột biến mất đoạn ấy (deleterious mutations), người ta đã thiết kết bản đồ “haplotype” thông qua kỹ thuật “deep sequencing” với 241 mẫu giống sắn khác biệt nhau, người ta đã xác định được >28 triệu những biến thể phân ly. Người ta ghi nhận rằng (i) cho dù dự thuần hóa đã và đang cải biên hàm lượng tinh bột  và chu trình biến dưỡng ketone  cho phép người ta dùng sắn làm thức ăn, thì những nút thắt có tính chất xảy ra đồng thời cũng hiện diện, và việc nhân giống vô tính tạo ra xác suất rất lớn các thay đổi của aminoacid bị mất đi, làm tăng số alen bị mất đi đến 26%, làm dịch chuyển yếu tố đột biến  thành những dòng cây con phổ biến hơn; (ii) các đột biến mất đoạn không thanh lọc được, tạo ra những tái tổ hợp không mong muốn trong bộ gen cây sắn; (iii) công tác lai tạo giống gần đây đã cố gắng duy trì được năng suất bằng cách “masking” (che dấu) những đột biến tệ hại nhất trong trạng thái dị hợp tử nhưng không ổn định về lâu dài; ví dụ thanh lọc phải là mục tiêu chủ yếu trong chọn tạo giống sắn tương lai. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/28416819

Figure: Mutation burden in cassava populations.