Tuần tin khoa hoc 563 (01-07/01/2018)

Phản ứng của lúa mì với khô hạn

Stress phi sinh học như  khô hạn, nóng, mặn và ngập úng đang đe dọa an ninh lương thực toàn cầu. Nội dung cải tiến di truyền giúp cây trồng vượt qua những thách thức do các stress như vậy vô cùng cần thiết trong các chiến lược cải tiến giống. Lúa mì là cây lương thực quan trọng và là loài mễ cốc chủ lực của thế giới. Tính chống chịu hạn được cải tiến trong cây lúa mì rất cần thiết cho sản xuất lúa mì và an ninh lương thực toàn cầu. Những tiến bộ trong nghiên cứu chống chịu khô hạn gần đây vẫn chưa nêu bật hết những gen chủ yếu và các phân tử regulators trong phiên mã, điều khiển tính trạng hình thái học và sinh lý học có liên quan đến chống chịu hạn. Những gen điều khiển kiến trúc rễ lúa và sự phát triển khí khổng có vai trò quan trọng trong việc giữ ẩm độ đất và cung cấp đủ nước cho cây. Đậy là mục tiêu của nhiều chiến lược cải tiến giống ở mức độ phân tử nhằm cải tiến tính chống chịu khô hạn. Ở đây, các tác giả đã tóm lược những minh chứng của rễ lúa tham gia đáng kể vào kết quả chịu hạn cũng như tính trạng khí khổng thích ứng với stress do khô hạn gây ra. Đặc biệt là, hàng loạt các gen chủ chốt được kể ra như: DRO1 của cây lúa nước và gen ERECTA của cây Arabidopsis và cây lúa; chúng đạ được phân lập để trở thành những “enhancers” chống chịu khô hạn  thông qua  sự điều hòa các tính trạng của rễ và và hiệu quả bốc thoát hơi nước. Nhiều họ protein TF (transcription factors) ví dụ như ERF (ethylene response factors), DREB (dehydration responsive element binding), ZFP (zinc finger proteins), WRKY, và MYB đã được người ta xác định là những phân tử “regulators” hoạt động theo cả hai hướng đối nghịch nhau: tích cực và tiêu cực; khi cây phản ứng với khô hạn – bao gốm cây lúa mì, lúa nước, ngô và Arabidopsis. Bài tổng quan này cung cấp các nguồn nghiên cứu khác nhau về về những gen ứng cử viên đã được xác định như gen regulators khi cây phản ứng với khô hạn. Sự thiếu đi nguồn dữ liệu về trình tự genome tham chiếu đối với lúa mì và những phương pháp tiếp cận có tính chất “non-transgenic” để thao tác gen có chức năng  trong hệ gen cây lúa mì trong quá khứ đã được trình bày với những giải pháp khả thi kích hoạt những yếu tố có chức năng của gen và QTLs. Người ta đã áp dụng cái ấy vào cải tiến giống lúa mì. Phát triển gần đây về genomics cây lúa mì và “di truyền ngược” (reverse genetics), cho thấy tính khả thi về trình tự genome tham chiếu đạt tính chất “tiêu chuẩn vàng”, phục vụ công nghệ chỉnh sửa hệ gen, đây là những kết quả đầy triển vọng khẳng định gen có chức năng trong hệ thống điều tiết gen tương ứng với đánh giá kiểu hình đối với chống chịu khô hạn, nhằm phát triển giống cây trồng chống chịu khô hạn tốt hơn. Nguồn: Kulkarni M, Soolanayakanahally R, Ogawa S, Uga Y, Selvaraj MG, Kagale S. 2017. Drought Response in Wheat: Key Genes and Regulatory Mechanisms Controlling Root System Architecture and Transpiration Efficiency. Front Chem. 2017 Dec 5;5:106. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29259968

Hình 1: Tính trạng rễ và khí khổng tương ứng với chống chịu khô hạn của lúa mì.

Cải tiến giống cao lương kháng bệnh đốm lá thông qua giải trình tự hệ gen đích của nấm Bipolaris cookei

 Nấm Bipolaris cookei (=Bipolaris sorghicola) gây ra bệnh đốm lá cao lương (leaf spot), một trong những bệnh quan trọng trong sản xuất cao lương của thế giới. Người ta còn biết rất ít về cơ sở phân tử trong phát sinh bệnh này của nấm B. cookei, chủ yếu do nguồn dữ liệu quá ít của di truyền phân tử, ví dụ như hệ gen tham chiếu. Ở đây, người ta công bố một bản thảo về trình tự hệ gen  của nấm  B. cookei với sự phân tích chặt chẽ nhờ công cụ tin sinh học. Một chiến lược lai tổng hợp sử dụng công cụ Illumina và Pacific Biosciences trong công nghệ phân tích trình tự hệ gen đã thu được một dữ liệu mang tính chất bản thảo bộ gen trong nhân có k1ich thước 36,1 Mb, được tổ chức thành 321 scaffolds với L50 có kích thước 31 kb; và N50 có kích thước 378 kb, từ đó, người ta ước đoán có 11.189 gen. Thêm vào đó, hệ gen ty thể bộ cũng được giải trình tự với kích thước 135.790 bp, bao gồm 75 gen dự đoán. Phân tích so sánh hệ gen (comparative genomics) cho thấy nấm B. cookei có ít hơn hệ enzyme kích hoạt carbohydrate và ít hơn những proteins bài tiết so với các loài nấm Bipolaris khác. Những gen mới tìm thấy trong chu trình biến dưỡng thứ cấp, là những gen có chức năng trong sinh tổng hợp ophiobolin, đã được người ta phân lập. Trong tổng số 37 gen của nấm B. cookei khi chúng tấn công cao lương, một gen mã hóa một protein “effector” có tính giả định với một phân bố rất hạn chế trong phân loại nấm gây bệnh cho cây trồng. Trình tự DNA của hệ gen mang tính dự thảo như vậy  của nấm  B. cookei đã cung cấp cho chúng ta những kiến thức mới về bệnh đốm lá cao lương nhăm phục vụ cho nhiều nghiên cứu sâu hơn sau này.

Nguồn: Zaccaron AZ, Bluhm BH. 2017. The genome sequence of Bipolaris cookei reveals mechanisms of pathogenesis underlying target leaf spot of sorghum. Sci Rep. 2017 Dec 8;7(1):17217. Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29222463

Hình 2: Hệ gen ty thể bộ của nấm B. cookei. Gen trên dây DNA “forward” và “reverse” được vẽ bên ngoài và bên tròng vòng tròn, theo thứ tự. Gen mã hóa các subunits của chuỗi vận chuyển electron thuộc complex I (nad1–6) có màu xanh lá cây, complex III (cox1–3) có màu nâu vàng, complex IV (cob) màu cam, ATP synthase (atp6) màu vàng, rDNAs (rns and rnl) màu đỏ, tRNAs màu đen và ribosomal protein S3 (rps3) màu xanh dương.

Nghiên cứu protein dự dữ trong đậu nành

Bốn QTL liên quan đến “subunit” của protein dự trữ trong cây đậu nành đã được phân tích trên bản đồ di truyền thông qua kỹ thuật phân tích quần thể con lai phân lý trồng dồn, và quần thể F₂, điều này đã được minh chứng lại trên quần thể cận giao tái tổ hợp RIL₅. Protein dự trữ globulins β-conglycinin (7S subunit) và glycinin (11S subunits) có thể ảnh hưởng đến số lượng và chất lượng của proteins trong hạt đậu nành, đóng góp hơn 70% hàm lượng protein tổng số của đậu nành.

Thao tác công nghệ phân tử trên những “protein subunits” dự trữ như vậy, nhằm tăng cường dinh dưỡng hạt đậu và chế biến “đậu phụ” ngon hơn là hai mục tiêu cuối cùng của nghiên cứu này trong chương trình cải tiến giống đậu nành. Muốn phát triển giống đậu nành có hàm lượng protein mong muốn ấy, người ta tiến hành tạo quần thể lập bản đồ F₂ (n = 448) và quần thể cận giao tái tổ hợp RIL₅ population (n = 180) từ tổ hợp lai giữa hai bố mẹ như sau: giống protein cao 'Harovinton' lai với dòng SQ97-0263_3-1a, thiếu các subunits 7S α', 11S A₁, 11S A₂, 11S A₃ và 11S A₄. Thành phần protein dự trữ  của từng cá thể con lai trong F₂ và F₅ được thực hiện phân tích “profiling” với kỹ thuật SDS-PAGE. Trên cơ sở sự có mặt và vắng mặt của những subunits, phân tử DNA của cây F₂ đã được phân tích để xác định vùng nào trong hệ gen điều khiển subunits 7S α' và 11S protein. Trên cơ sở đa hình của bộ chỉ thị SNPs giữa các cá thể trong quần thể “bulks” được phân tích bằng công cụ “Illumina SoySNP50K iSelect BeadChips” tại các vị trí đích trong hệ gen. Người ta tiến hành xét nghiệm KASP  và sử dụng bản đổ QTLs tìm kiếm sự mất các subunits mục tiêu. QTL điều khiển protein dự trữ được tìm thấy trên nhiễm sắc thể số 3 (11S A₁), nhiễm sắc thể 10 (7S α' và 11S A₄), nhiễm sắc thể 13 (11S A₃), chúng còn được minh chứng trên quần thể F₅ RIL. Kết quả nghiên cứu này cho phép nhà chọn giống đậu nành thực hiện phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử để có hàm lượng protein dự trữ mong muốn thông qua SNPs liên kết với các subunits mục tiêu. Nguồn: Boehm JD Jr, Nguyen V, Tashiro RM, Anderson D, Shi C, Wu X, Woodrow L, Yu K, Cui Y, Li Z. 1997. Genetic mapping and validation of the loci controlling 7S α' and 11S A-type storage protein subunits in soybean [Glycine max (L.) Merr.], Theor Appl Genet. 2017 Dec 9. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29224171.

Phân tích GWAS trên hệ gen cây bắp đối với khả năng tích tụ chì

Biến thiên kiểu hình về khả năng tích tụ hàm lượng chì (Pb) khá lớn trong hạt và lá của cây bắp. Hiểu biết về di truyền của giống bắp đối với khả năng  tích tụ chì (Pb) có thể giúp chúng ta cải tiến giống bắp dễ dàng hơn với giống cải tiến có hàm lượng Pb tích tụ ít. Người ta thự hiện GWAS (genome-wide association study) trong một quần thể bao gồm 269 mẫu giống bắp, với oligo chip là 43.737 chỉ thị SNPs (single-nucleotide polymorphisms). Hàm lượng Pb tích tụ trong lá và trong hạt của 269 mẫu giống bắp này được lấy chỉ tiêu trong thí nghiệm ngoài đồng và thí nghiệm trên chậu vào hai năm 2015 và 2016. Người ta quan sát thấy có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về hàm lượng Pb tích tụ trong nghững cá thể khác nhau dưới điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Áp dụng thuật toán “kinship”, sử dụng 21 SNPs liên kết có ý nghĩa với khả năng tích tụ Pb, người ta xác định ở độ tin cậy P<2.28×10^-5 và FDR<0.05 đối với thí nghiệm trong chậu và thí nghiệm ngoài đồng qua hai năm nói trên. Ba chỉ thị phân tử SNPs trên nhiễm sắc thể 4 có liên quan đến khả năng tích tụ Pb trong hạt bắp và lá bắp; chúng cùng định vị với QTL đã được phát hiện trước đây. Thông qua hệ phương trình tuyến tính tối ưu “ridge”, người ta ước đoán chính xác khả năng tích tụ Pb trong quần thể vật liệu giống bắp khác nhau ấy, mức độ chính xác này được minh chứng ở kết quả giá trị thống kê 0.18-0.59 và 0.17-0.64, tùy thuộc vào “k-fold” và độ lớn của quần thể. Kết quả này rất có ích cho cải tiến di truyền và dự đoán hệ gen  về giống bắp có khả năng tích tụ Pb thấp. Nguồn: Zhao X, Liu Y, Wu W, Li Y, Luo L, Lan Y, Cao Y, Zhang Z, Gao S, Yuan G, Liu L, Shen Y, Pan G, Lin H. 2017. Genome-wide association analysis of lead accumulation in maize. Mol Genet Genomics. 2017 Dec 22. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/29274071