Tuần tin khoa hoc 562 (25-31/12/2017)

Protein oxalate decarboxylase của vi khuẩn bacillus subtilis và tính kháng bệnh đạo ôn, bệnh đốm vằn trên cây lúa

Nguồn: Qi Z, Yu J, Shen L, Yu Z, Yu M, Du Y, Zhang R, Song T, Yin X, Zhou Y, Li H, Wei Q, Liu Y. 2017. Enhanced resistance to rice blast and sheath blight in rice (Oryza sativa L.) by expressing the oxalate decarboxylase protein Bacisubin from Bacillus subtilis. Plant Sci. 2017 Dec; 265:51-60.

Oxalate decarboxylase (OxDC), xúc tác trong phản ứng phân giải oxalic acid, phân bố rộng khắp trong nhiều loài sinh vật. Gen mã hóa oxalate decarboxylase của vi khuẩn Bacillus subtilis được xem xét trên một chủng nòi đặc biệt BS-916, Bacisubin, được chuyển nạp vào giống lúa Nipponbare để tạo ra cây lúa transgenic có hoạt tính OxDC rất mạnh mẽ. Xét nghiệm tính chất phát sinh bệnh cho thấy cây lúa transgenic ấy đã tăng cường tính kháng bệnh đạo ôn và kháng bệnh đốm vằn. Phân tích RNA-seq giữa cây lúa Nipponbare WT (wild type) và cây lúa transgenic nói trên, người ta xác định 1764 gen DEGs (Differentially expressed genes) bao gồm 723 uni-genes điều tiết theo kiểu UP và 1041 unigenes điều tiết theo kiểu DOWN. Có năm “GO terms” biểu hiện tiến trình mang tính chất cá biệt (single-organism) và tiến trình làm giảm ô xi hóa (oxidation-reduction) đáng kể đối với gen điều tiết theo kiểu UP. Rất thú vị là có năm gen mã hóa glutaredoxin điều tiết theo kiểu UP và một gen mã hóa MADS box điều tiết theo kiểu DOWN có trong cây lúa transgenic. Nghiên cứu này cung cấp cho chúng ta kiến thức về protein OxDC trong tính kháng bệnh của cây lúa và cơ chế hoạt động của chúng. Kết quả còn cho thấy  OxDC là protein có tính chất diệt nấm rất tốt trong cây lúa transgenic.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29223342

KINASE OsCPK4 có vai trò trong cơ chế miễn dịch bẩm sinh

Nguồn:  Wang J, Wang S, Hu K, Yang J, Xin X, Zhou W, Fan J, Cui F, Mou B, Zhang S, Wang GL, Sun W. 2017. The kinase OsCPK4 regulates a buffering mechanism that fine-tunes innate immunity. Plant Physiol. 2017 Dec 14. pii: pp.01024.2017.

Protein OsCPK4 (calcium-dependent protein kinase) có vai trò quan trọng trong tính chống chịu mặn và khô hạn,  tăng trưởng và phát triển của cây lúa. Tuy nhiên, người ta hiện biết rất ít về cơ chế phân tử của chức năng protein OsCPK4 trong hệ thống miễn nhiễm của cây lúa. Theo kết quả nghiên cứu này, các tác giả đã chứng minh rằng sự đốt cháy có tính chất ô xi hóa (oxidative burst) và sự thể gen gen có liên quan đến phát sinh bệnh cây đã được kích hoạt bổi MAMPs (microbe-associated molecular patterns) làm gia tăng đáng kể trong cây lúa đột biến gen oscpk4. Các dòng lúa đột biến như vậy kháng tốt với vi khuẩn gây bệnh bạc lá lúa và kháng bệnh do nấm phát sinh như bệnh đạo ôn so với cây lúa WT (wild-type). Kết quả cho thấy OsCPK4 điều tiết một cách thụ động bản chất miễn dịch bẩm sinh trong hệ gen cây lúa. OsCPK4 được xác định là có tương tác với protein đóng vai trò receptor-like cytoplasmic kinase OsRLCK176. Protein OsRLCK176 tích tụ với bản chất điều tiết một cách thụ động của gen mã hóa ra nó OsCPK4. Rất thú vị là  phân tử “kinase-dead OsCPK4” làm cho hoạt động phân giải của OsRLCK176 mạnh mẽ hơn protein của cây WT. Protein OsCPK4 và OsRLCK176 cùng nhau thực hiện phản ứng phosphoryl hóa và hình thành nên các gọi là “feedback loop”. Thêm vào đó, hoạt động của kinase và phản ứng phosphoryl hóa protein OsCPK4 và OsRLCK176 đều góp phần làm ổn định OsRLCK176. Kết quả chỉ ra rằng protein “kinase-inactive OsCPK4” làm tăng cường sự phân giải phân tử OsRLCK176 và làm hạn chế hệ thống bảo vệ thực vật của cây lúa; trong khi đó, hoạt động của phản ứng phosphoryl hóa phân tử OsCPK4-OsRLCK176 làm vô hiệu hóa sự phân giải OsRLCK176, cho nên làm tăng tính miễn nhiễm của cây lúa. Đây là hệ thống tự bảo vệ mới của cây được điều hành bởi OsCPK4, làm bật tắt hệ thống MAMP – hệ thống miễn dịchcủa cây lúa.

Xem http://www.plantphysiol.org/content/early/2017/12/14/pp.17.01024.long

Hình: Chức năng của OsCPK4 trong tăng trưởng và phát triển.

Chu trình truyền tín hiệu mới giúp cây lúa chống chịu lạnh giá

GS. Chong Kang và nhóm nghiên cứu của ông từ the Chinese Academy of Sciences (CAS) đã báo cáo về một cơ chế mới về tính chống chịu lạnh giá của cây lúa (chilling tolerance). Bài viết này được in trên tạp chí Developmental Cell. Năm 2009, nhóm nghiên cứu này đã cho thế hiện mạnh mẽ gen OrbHLH2, có tính trạng chống chịu với stress điều tiết áp suất thẩm thấu từ cây Arabidopsis. Họ đã phát hiện rằng protein bị kích hoạt khi có lạnh xảy ra là kinase OsMAPK3 nó sẽ thực hiện tiến trình phosphoryl hóa yếu tố phiên mã OsbHLH002/OsICE1 trực tiếp làm tăng cườnghoạt động chuyển thông tin vào hệ gen. Hơn nữa, OsMAPK3 đã làm yếu đi sự tương tác giữa OsbHLH002 và E3 ubiquitin ligase OsHOS1, điều này dẫn đến sự suy giảm “ubiquitination” (protein chuyển thành các amico acid) và làm suy thoái OsbHLH002. Hàm lượng protein tăng và sự truyền thông tin cũng tăng đối với OsbHLH002 là bật mở gen OsTPP1 (mã hóa trehalose-6-phosphatase) để thủy phân trehalose-6-phosphate, làm tăng hàm lượng trehalose và cải tiến tính chống chịu lạnh giá của cây lúa. Xem bản tin của  CAS và tạp chí Developmental Cell.

Gen aquaporin làm tăng kích thước quả và tính chống chịu hạn của cây cà chua

Sự thiếu nước làm suy giảm nghiêm trọng sự tăng trưởng của táo và sản lượng táo, phẩm chất quả kém. Do đó, thiếu nước là mục tiêu chính trong chương trình cải tiến giống táo. Aquaporins điều khiển sự vận chuyển nước xuyên qua hệ thống màng và có thể điều tiết dòng chảy của nước. Người ta khai thác tính chất của những cơ chế phân tử như vậy của sự hữu hiệu tiêu dùng nước sẽ mở ra con đường mới trong chọn tạo giống táo chống chịu khô hạn. Nhóm nghiên cứu của Lin Wang thuộc ĐH Nông Nghiệp Trung Quốc đã tập trung nghiên cứu gen điều khiển tính chống chịu hạn của cây táo (Malus domestica) – gen mã hóa aquaporin, MdPIP1;3. Họ đã cho thể hiện thành công gen MdPIP1;3 trong cây cà chua. Cây cà chua chuyển nạp gen này thể hiện tính chống chịu tốt với khô hạn, cho thấy sự mất nước của cây ở lá cà chua diễn biến chậm hơn so với cây cà chua đối chứng. Độ dài và đường kính của quả cà chua chuyển gen tăng nhanh hơn cây đối chứng. Kích thước quả cà chua và khối lượng quả tươi của cây cà chua transgenic lớn hơn so với đối chứng. Ở mức độ tế bào, kích cở của tế bào trong quả cà chua chuyển gen lớn hơn. Thể hiện gen MdPIP1;3 đã làm tăng cường tính chống chịu khô hạn của giống cà chua chuyển gen, đặc biệt là giảm được sự mất nước ở lá cà chua. Xem BMC Plant Biology.

Sự biểu hiện mạnh mẽ GEN AtEDT1 liên quan đến chống chịu hạn của cây cỏ ALFALFA

Cỏ linh lăng (tiếng Anh là Alfalfa, tên khoa học Medicago sativa L.) là cây họ đậu làm thức ăn gia súc trên những cánh đồng cỏ, tạo giá trị kinh tế rất quan trọng cho ngành chăn nuôi. Tuy nhiên, tăng trưởng của cỏ alfalfa bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi chế độ tưới nước, ảnh hưởng rất lớn đến sản lượng cỏ linh lăng. Để tăng cường tính chống chịu hạn của cỏ, nhóm nghiên cứu của Guangshun Zheng thuộcViện Hàn Lâm Khoa Học Trung Quốc, đã thể hiện mạnh mẽ gen  AtEDT1 (Arabidopsis Enhanced Drought Tolerance 1) được chuyển nạp vào cây alfalfa thông qua phương pháp gián tiếp nhờ vi khuẩn  Agrobacterium. Xử lý nghiệm thức khô hạn làm cho mức độ sống sót của cây và sinh khối cao hơn, cũng như giảm sự mất nước được quan sát trên cây chuyển nạp gen. Cây cỏ alfalfa transgenic làm tăng kích thước khí khổng, nhưng làm giảm mật độ khí khổng trên đơn vị diện tích, góp phần giảm sự mất nước. Cây transgenic  có hệ thống rễ phát triển tốt hơn về chiều dài rễ, khối lượng rễ, đường kích rễ so với cây đối chứng. Xem Frontiers in Plant Science.

Knock-out gen OsAnn3 làm giảm tính chống lạnh của cây lúa

Annexins thực vật là những protein không lệ thuộc vào ion Ca⁺⁺, có trong nhiều họ genở thực vật. Chúng giúp cây phát triển tốt cũng như bảo vệ cây với những stress do ngoại cảnh gây ra. Chunxiu Shen và ctv. thuộc Hunan Hybrid Rice Research Center, Trung Quốc nghiên cứu annexin cây lúa được mã hóa bởi gen OsAnn3 và chức năng chống chịu lạnh của nó trong cây lúa (Oryza sativa). Họ tiến hành “knocked-out” gen annexin này thông qua hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR-Cas9. Cây đột biến có chủ đích ấy được thu thập. Dòng đột biến T₁ được thanh lọcc đối với tính chống chịu lạnh 4∼6°C trong ba ngày. Tỷ lệ cây sống sót T₁ giảm nhanh khi so sánh với cây nguyên gốc trong nghiệm thức xử lý lạnh. Kết quả cho thấy gen OsAnn3 cóchức năng chịu lạnh của hệ gen cây lúa. Xem Journal of Plant Biology.

CRISPR để cải biên Promoters và năng suất cây trồng

Daniel Rodríguez-Leal và Zachary Lippman thuộc tổ chức Cold Spring Harbor Laboratory đã sử dụng công nghệ chỉnh sửa hệ gen “CRISPR” để cải biến trình tự trong phân tử promoter của những gen điều khiển năng suất cà chua. Nghiên cứu giúp người ta xây dựng nên một catalog giúp người ta chọn tính trạng nông học tốt nhất và điều chỉnh chúng trong mùa vụ kế tiếp. Thông qua sự cải biên tối thiểu ấy trong những promoters, các nhà nghiên cứu đã nhanh chóng tạo ra các versions trong điều khiển sản lượng cà chua trong tương lai, bao gồm kiến trúc của cây, kích thước và dạng hình quả cà chua. Thông qua sử dụng kỹ thuật CRISPR để cải tiến những promoters như vậy, thay vì cải biên gen, người ta có thể điều khiển kết quả về năng suất quả cà chua. Xem báo cáo trong The Pew Charitable Trusts.