Tuần tin khoa hoc 574 (19-25/03/2018)

Di truyền tính chống chịu khô hạn và nitrogen thấp trong đất của cây lúa thông qua quy tụ nhiều QTL được thiết kế

Nguồn: Bo Feng, Kai Chen, Yanru Cui, Zhichao Wu, Tianqing Zheng, Yajun Zhu, Jauhar Ali, Bingbing Wang, Jianlong Xu, Wenzhong Zhang and Zhikang Li. 2018. Genetic Dissection and Simultaneous Improvement of Drought and Low Nitrogen Tolerances by Designed QTL Pyramiding in Rice. Frontiers in Plant Science - 9, March 2018.

Khô hạn và hàm lượng nitrogen thấp trong đất là những stress phi sinh học phổ biến nhất ở châu Á và châu Phi. Sự phát triển giống lúa “green super rice” (GSR) và sự thích nghi hóa giống lúa ấy thông qua tính trạng được cải tiến là chống chịu khô hạn (DT), chống chịu hàm lượng nitrogen thấp (LNT) là phương thức hiệu quả nhất trong giải pháp hiện nay của Trung Quốc. Theo nghiên cứu này, người ta đã phát triển ba tập đoàn giống lúa có thuật ngữ chuyên môn là ILs (trait-specific introgression lines) trên nền tảng giống lúa indica: giống “Xian” có nền di truyền của Huanghuazhan (HHZ). Các tác giả đã xác định được chín DT-QTL thông qua kỹ thuật khai thác “segregation distortion” và bảy LNT-QTL thông qua kỹ thuật GWAS (genome-wide association study). Trên cơ sở số liệu về DT và LNT, những dòng lúa có QTL mục tiêu, hai dòng Ils là M79 và M387 có DT và LNT tốt được chọn để lai với nhau nhằm minh chứng QTL đích và phát triển các dòng lúa có DT và LNT cải tiến, thông qua nội dung quy tụ hai DT-QTL (qDT3.9 và qDT6.3) và hai LNT-QTL (qGY1 và qSF8) vào trong dòng lúa cải tiến như vậy. Người ta sử dụng 4 cặp markers có thuật ngữ chuyên môn là KASP (kompetitive allele specific PCR) hay SNP markers. Người ta chọn được 66 cá thể F₂ có những kết hợp khác nhau của những alen mong muốn DT- và LNT-QTL. Người ta chứng minh được có sự cải tiến tính trạng DT và/hoặc LNT, mà chúng đã được minh chứng rất tốt về sự cải tiến của tính trạng chịu hạn, chịu phân đạm thấp trong các dòng F₃. Việc đánh giá các dòng F₃ quy tụ gen như vậy được thực hiện trong điều kiện khô hạn, nitrogen thấp, và trong điều kiện bỉnh thường, có 4 dòng triển vọng quy tụ gen biểu hiện những alen QTL mong muốn khác nhau đã được chọn, chúng thể hiện tính chống chịu hạn, chịu nitrogen thấp tốt hơn giống HHZ và những bố mẹ IL của chúng. Như vậy phương pháp sử dụng “trait-specific Ils” có thể rất hiệu quả trong lập bản đồ QTL và chọn giống theo phương pháp chồng các QTL (quy tụ QTL) với nhau, rất hiệu quả trong sử dụng DQP (designed QTL pyramiding) thống qua quần thể Ils. Đây là kết quả cho thấy sự hiệu qủa chọn giống lúa trên cơ sở phân tử (molecular rice breeding) đối với những tính trạng phức tạp.

Phân tích chức năng gen MeCIPK23 và MeCBL1/9 trong phản ứng tự vệ của cây sắn đối với vi khuẩn Xanthomonas axonopodis pv. manihotis.

Nguồn: Yan Y, He X, Hu W, Liu G, Wang P, He C, Shi H. 2018. Functional analysis of MeCIPK23 and MeCBL1/9 in cassava defense response against Xanthomonas axonopodis pv. Manihotis Plant Cell Rep. 2018 Mar 9. doi: 10.1007/s00299-018-2276-7.

MeCIPK23 tương tác với MeCBL1/9 cải tiến được phản ứng tự bảo vệ của cây, đây cóp thể được xem là gen có đầy tiềm năng phục vụ cải tiến di truyền giống sắn. Sắn (Manihot esculenta) là một loài cây lương thực quan trọng trong vùng nhiệt đới, bị thường xuyên đe dọa bởi bệnh cháy lá do vi khuẩn CBB (cassava bacterial blight). Tuy vậy, thông tin về gen có liên quan đến hệ thống tự vệ trong cây sắn vô cùng hạn chế. Những ion calcium có vai trò quan trọng trong sự phát triển của cây plant và các chu trình truyền tín hiệu. Protein có tê khoa học là “Calcineurin B-like proteins: viết tắt là CBLs) và CBL-interacting protein kinases: viết tắt là CIPKs, là những thành phần không thể thiếu trong sự truyền tín hiệu calcium. Theo nghiên cứu này, phổ thể hiện của 25MeCIPKs khi phản ứng với sự xâm nhiễm của vi khuẩn  Xanthomonas axonopodis pv. manihotis (Xam) đã được xét nghiệm, trong đó, có 7 gen MeCIPKs ứng cử viên đã được chọn để phân tích chức năng của chúng. Thông qua kỹ thuật làm thể hiện “transient” trong lá cây Nicotiana benthamiana, có 6 gen MeCIPKs (MeCIPK5, MeCIPK8, MeCIPK12, MeCIPK22, MeCIPK23 và MeCIPK24) có liên quan đến sự cải tiến phản ứng tự vệ của cây, thông qua sự điều tiết các phân tử transcripts của nhiều gen liên quan đến chức năng tự vệ khác nhau. Người ta ghi nhận MeCIPK23 đã tương tác với  MeCBL1 và MeCBL9. Người ta cũng quan sát được sự thể hiện mạnh mẽ của những gen này có liên quan đến phản ứng tự vệ đã được cải tiến. Trái lại, việc làm câm gen kích hoạt virus của cả hai gen MeCIPK23 hoặc MeCBL1/9 hoặc cả hai đồng thời tạo ra sự nhạy cảm với bệnh CBB trên cây sắn. Đây là nghiên cứu đầu tiên xác định gen MeCIPK23 cũng như MeCBL1 và MeCBL9 trong phản ứng tự vệ của cây sắn chống lại Xam.

Phân tích hệ thống điều tiết gen của cây bắp trong phản ứng với nitrogen.

Nguồn: Jiang L, Ball G, Hodgman C, Coules A, Zhao H, Lu C. 2018. Analysis of Gene Regulatory Networks of Maize in Response to Nitrogen. Genes (Basel). 2018 Mar 8;9(3). doi: 10.3390/genes9030151.

Phân nitrogen (N) có ảnh hưởng chính trong quyết định năng suất và phẩm chất nông sản. Việc hiểu biết và làm tối ưu hóa phản ứng của cây đối với phân nitrogen là nội dung quan trọng bậc nhất trong chiến lược tăng cường an ninh lương thực và phát triển nông nghiệp bền vững. Theo nghiên cứu này, việc phân tích hệ thống điều hóa các gen, đặc biệt là gen đa tính trạng và các tiến trình sinh học khi cây phản ứng với N đã được xem xét. Hai nghiên cứu về microarray đã được ứng dụng để tìm hiểu về các hợp phần của hệ thống phản ứng với nitrogen. Khi người ta sử dụng các hệ thống  công nghệ array khác nhau, một bản đồ sẽ liên kết với hai bộ chỉ thị “probe” trong hệ gen cây bắp B73 (hệ gen tham chiếu: reference genome) được xây dựng nên cho phép người ta so sánh sau đó. Gen đồng dạng mang tính chất giả định của cây Arabidopsis  so với gen của cây bắp đã được sử dụng để so sánh với số liệu “query” trong hệ thống “Biological General Repository for Interaction Datasets” (viết tắt là BioGRID). Người ta thu nhận được ba phân tử “transcription factors” (TFs): đó là GLK5, MADS64 và bZIP108. Người ta cũng quan sát được hệ men “Calcium-dependent protein kinase”. Người ta sử dụng ANN (Artificial Neural Network) để xác định các gen có ảnh hưởng chính và xem xét bZIP108 cũng như WRKY36 rất có ý nghĩa đối với các protein TFs  trong cả hai nghiên cứu về microarray như vậy, song sóng với họat động của các gen liên quan đến Asparagine Synthetase, một protein kinase có tính chất “dual-specific” (hai chức năng chuyên biệt) và một hệ men “protein phosphatase”. Kết quả còn cho thấy vai trò của phân tử microRNA (miRNA) 399b và Nin-like Protein 15 (NLP15) trong hiện tượng nói trên. Hệ thống phân tích có tính chất đồng thể hiện như vậy của những đại phân tử TFs tương quan rất chặt với các phổ thể hiện (profiles) đế chúng ta hiểu được những gen có phản ứng với nitrate được xác định: GLK5, GLK8 và NLP15 như những ứng cử viên của phân tử “regulators” của những gen khi cây ở trong điều kiện nitrong rất thấp. Trái lại, phân tử bZIP108 có thể có chức năng quan trọng hơn trong hoạt hóa sự làm việc của gen.

Giản đồ Venn trong sự thể hiện của nhiều gen khác nhau thông qua hai hệ thống dữ liệu  của hai microarray.

Ngăn ngừa bệnh nấm phát triển trên cây lúa (Oryza sativa L.) ở giai đoạn mạ cũng như cây Hòa Thảo khác thông qua xử lý vi khuẩn nội sinh trong hạt Phragmites australis

Nguồn: Verma SK, Kingsley KL, Bergen MS, Kowalski KP, White JF. 2018. Fungal Disease Prevention in Seedlings of Rice (Oryza sativa) and Other Grasses by Growth-Promoting Seed-Associated Endophytic Bacteria from Invasive Phragmites australis. Microorganisms. 2018 Mar 8;6(1). pii: E21. doi: 10.3390/microorganisms6010021.

Cây mọc tự nhiên mang rất nhiêu sinh sinh vật có thuật ngữ chuyên môn là (microbial endophytes). Chúng có thể được khái thác để làm tăng cường sự đề kháng với bệnh tật của loài cây trồng trọt. Vi sinh vật kích thích tăng trưởng và bảo vệ cây trồng có thể đã và đang bị mất dần. Trong suốt thời kỳ mạ, cây lúa có thể bị nhiễm nhiều pathogens thuộc vi nấm gây bệnh cho cây lúa bắt nguồn từ đất hoặc từ hạt giống. Nhiều loài nấm như Fusarium, Pythium và các loài mốc thủy sinh (water moulds) làm hạt lúa bị thối khi nẩy mâm. Bệnh cháy mạ do Fusarium khá phổ biến và ảnh hưởng đáng kể đến sự tăng trưởng của cây mạ. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta đã cho thanh lọc 9 vi khẩun nội sinh trong hạt “endophytic bacteria” của Phragmites australis thông qua phương pháp cấy truyền vi khuẩn, hạt của những loài cỏ Bermuda grass (Cynodon dactylon), hay cây cỏ hàng niên “bluegrass” (Poa annua) được sử dụng để đánh giá sự tăng trưởng của cây cũng như sự bảo vệ cây trước sự xâm nhiễm của bệnh do nấm Fusarium oxysporum. Ba loài vi khuẩn thuộc chi Pseudomonas spp. (SLB4-P. fluorescens, SLB6-Pseudomonas sp. và SY1-Pseudomonas sp.) đã tăng cường sự phát triển của cây mạ, bao gồm tăng sức phát triển của rễ, của chồi thân, và kích thích sự hình thành rễ lôn (root hair). Những vi khuẩn này làm tăng cường sự phân giải phosphate in vitro. Vi khuẩn Pseudomonas sp. (SY1) bảo kệ có ý nghĩa các loài cỏ hòa thảo trước sự xâm nhiễm của nấm Fusarium. Trong những thí nghiệm có chủng nguồn bệnh đồng thời nhiều vi khuẩn, chủng nòi SY1 ức chế mạnh mẽ các pathogens là vi nấm với tỷ lệ ức chế tăng trưởng của nấm F. oxysporum 85,71%, của nấm Curvularia sp. là 86,33%, của nấm Alternaria sp. 82,14%. Quan sát trên kính hiển vi, các vi khuẩn này làm phân giải khuẩn ty của các vi nấm gây bệnh hại cây mạ. Sản phẩm chất biến dưỡng của chủng nòi SY1 trên môi trường agar được quan sát đã làm ức chế sự tăng trưởng của khuẩn ty. Vi khuẩn Pseudomonas sp. (SY1) sản sinh ra chất bay hơi có tính chất diệt nấm (antifungal volatiles). Khuếch đại PCR với những cặp mồi tương ứng đối với tổng hợp chất pyrrolnitirin và HCN (hydrogen cyanide) cho thấy có sự hiện diện của những gen liên quan đến hai hợp chất quan trọng này trong hệ gen của chủng nòi vi khuẩn SY1. HCN được người ta phát hiện trong nuôi cây chủng nòi SY1. Kết luận: vi sinh vật (vi khuẩn) từ những cây cỏ dại có thể cung cấp nguồn vật liệu giúp cây trồng bảo vệ lại sự xâm nhiễm của bệnh và làm tăng cường khả năng tăng trưởng của cây. Xem

http://www.mdpi.com/2076-2607/6/1/21

Hình: (a) Cây mạ được chủng vi khuẩn (đối chứng chỉ có nước H₂O + nghiệm thức chủng nòi vi khuẩn SLB4, SLB6 và SY1).  (b) Mạ thể hiện khác nhau trên các bộ phận của cây lúa: chiều dài rễ và chồi thân giữa nghiệm thức đối chứng và cây mạ có xử lý SY1 vào lúc 15 ngày sau khi tăng tưởng.