Tuần tin khoa học 616 (07-13/01/2019)

Nguồn gen điều khiển tính chống chịu độ độc do nhôm của cây lúa

Nguồn: M Zhao, J Song, A Wu, T Hu, JQ Li. 2018. Mining Beneficial Genes for Aluminum Tolerance Within a Core Collection of Rice Landraces Through Genome-Wide Association Mapping With High Density SNPs From Specific-Locus Amplified Fragment Sequencing. Frontiers in Science; 18 December 2018 9:1838; DOI: 10.3389/fpls.2018.01838

Nhôm hóa trị 3 (Al³⁺) có trong đất acid gây độc hại cho tăng trưởng của cây và làm suy giảm nghiêm trọng năng suất. Do vậy, phương pháp tìm kiếm những gen có lợi đối với tính trạng chống chịu độc nhôm rất có giá trí cho sản xuất lúa. Mục tiêu nghiên cứu này là xác định một vài gen có lợi chống chịu độ độc nhôm từ các giống lúa bản địa thông qua kỹ thuật sử dụng chỉ thị SNP với mật độ cao thuộc “SLAF-seq” (Specific-Locus Amplified Fragment sequencing). Người ta có tổng cộng 67.511 chỉ thị SNPs từ “SLAF-seq”; chúng được sử dụng để phân tích GWAS (genome-wide association study) đối với tính trạng chống chịu độc nhôm của 150 mẫu giống lúa bản địa trong tập đoàn “Ting's rice core collection”. Kết quả cho thấy rằng: các giống lúa bản địa thuộc tập đoàn Ting có biến thiện rất rộng về tính chống chịu với độc nhôm, trên cơ sở quan sát kiểu hình RRE (relative root elongation). Sử dụng phần mềm “mixed linear models”, kết quả GWAS xác định được 25 mẫu giống lúa nằm giữa những chỉ thị SNPs và tính trạng chống chịu Al ở giá trị p < 0.001, giá trị FDR (false discovery rate) <10%. Điều này cho thấy QTL giả định đã giải thích được 7,27 – 13,31% biến thiên kiểu hình. Năm trong số 25 QTLs được xác định biểu hiện tính chất đồng vị trí với những gen đã được dòng hóa trước đâyhoặc những QTL đã được xác định trước đây, liên quan đến tính trạng chống chịu độ độc nhôm hoặc liên quan đến sự tăng trưởng và phát triển của rễ lúa. Kết quả cho thấy các giống lúa bản địa là nguồn cung cấp gen chống chịu rất quan trọng đối với tính trạng chống chịu Al của cây lúa. kết quả phân tích bản đồ cho thấy những thông tin quan trọng giúp nhà chọn giống lai tạo giống lúa chống chịu Al, thông qua chiến lược MAS (marker-assisted selection). Xem http://www.frontiersin.org

Hình: Giản đồ Manhattan plot của GWAS đối với tính chống chịu Al trên cơ sở kiểu hình RRE (relative root elongation length). Đường màu xanh lá cây là ngưỡng giá trị có ý nghĩa ở mức độ p < 0.001, đường màu đỏ là ngưỡng giá trị Bonferroni có ý nghĩa ở mức độ p < 0.001 (với “raw p” < 2.46 × 10−8).

Sự suy giảm tính chất thích nghi với khí hậu của giống lúa mì châu Âu

Nguồn: H Kahiluoto, J Kaseva, J Balek, JE. Olesen, M Ruiz-Ramos, A Gobin, KC Kersebaum, J Takáč, F Ruget, R Ferrise, P Bezak, G Capellades, C Dibari, H Mäkinen, C Nendel, D Ventrella, A Rodríguez, M Bindi, and M Trnka. 2018. Decline in climate resilience of European wheat. PNAS January 2, 2019 116 (1) 123-128

An ninh lương thực dưới điều kiện biến đổi khí hậu tùy thuộc vào khả năng cải thiện năng suất của những loài cây trồng chính trên thế giới. Người ta ghi nhận có sự suy giảm tính chất thích nghi với biến đổi khí hậu của giống lúa mì châu Âu tại phần lớn các quốc gia châu Âu trong khoảng 5-15 năm gần đây, điều này tùy thuộc vào từng nước khác nhau. Đáp ứng với năng suất của tất cả giống lúa mì trồng trọt đối với khí hậu khác nhau tương đối đồng nhất ở Bắc Âu và Trung Âu, trong những nước phía nam châu Âu, và đặc biệt trên giống lúa mì cứng (durum wheat). Người ta còn ghi nhận có khoảng cách khác biệt vô cùng lớn về sự thích nghị của giống lúa mì châu Âu, đặc biệt là năng suất hạt trước biến động do mưa quá nhiều. Sự thích ứng với khí hậu hiện nay không được các nhà chọn giống, sản xuất hạt giống, thương nhân và nông dân lưu ý. Bài viết này cung cấp những kiến thức tiếp cận với các công cụ hiện đại cần học hỏi, những khích lệ về mặt kinh tế, vai trò của nhà nước. Một sự đa dạng về phản ứng thích nghi khi có xáo trộn nào đó xảy ra đều được xem như yếu tố xác định chủ yếu đối với tính thích nghi ấy. Khả năng của giống lúa mì được hoàn thiện tốt với biến đổi khí hậu luôn là yếu tố hạn chế; do đó, người ta khai thác một tập đoàn giống lúa mì có phản ứng rất đa dạng với thời tiết ảnh hưởng cực trọng đến năng suất. Ở đây, các tác giả công trình nghiên cứu này đã quan sát có một sự suy giảm tính đa dạng xét theo phản ứng nói trên trên cánh đồng lúa mì của nông dân của hầu hết các quốc gia châu Âu, sau năm 2002–2009 trên cơ sở quan sát 101.000 mẫu năng suất giống lúa mì. Những phản ứng tương tự đối với thời tiết đã được xác định trong các thí nghiệm giống tại trung Âu và nam Âu. Điểm nóng về tính đa dạng xét theo phản ứng xảy ra tại Slovakia, trong khi đa dạng phản ứng của khí hậu sa mạc xảy ra tại Czechia và Germany; cũng như đối với lúa mì cứng xảy ra tại nam châu Âu. Những phản ứng tích cực đối với lượng mưa nhiều không hề thấy. Đánh giá này cho thấy rằng những chương trình cải tiến giống lúa mì hiện nay và nội dung chọn lọc dòng con ưu việt chưa đủ mức độ đối với yêu cầu biến đổi khí hậu bất thường. Như vậy, yêu cầu về tính thích nghi với khí hậu của những giống cây trồng chính về lương thực như cây lúa mì phải được điều chỉnh lại cho chính xác. Kết quả đánh giá và thông tin phải được trở thành bài học tập thể thông qua chuỗi cung ứng (supply chains). Thông tin đại chúng được gia tăng có thể thúc đẩy chính phủ các nước quan tâm đến tính thích ứng trong chương trình nghiên cứu và cải tiến giống, trở thành mức độ hấp dẫn đặc biệt và trở thành luật lệ. Xem https://www.pnas.org/content/116/1/123

Đa dạng di truyền cây đậu nành và nguồn gốc thuần hóa

Nguồn: Soon-Chun Jeong, Jung-Kyung Moon, Soo-Kwon Park, Myung-Shin Kim, Kwanghee Lee, Soo Rang Lee, Namhee Jeong, Man Soo Choi, Namshin Kim, Sung-Taeg Kang, Euiho Park. 2018. Genetic diversity patterns and domestication origin of soybean. Theoretical and Applied Genetics; 26 December 2018; pp 1–15

Cơ sở dữ liệu đánh giá kiểu gen tập đoàn giống đậu nành Hàn Quốc được tiến hành bằng phương pháp “SNP array” với dung lượng lớn chỉ thị phân tử; nhằm làm rõ mức độ phân bố của chúng trên bản đồ đậu nành thế giới và xác định lịch sử tiến hóa của cây đậu nành. Người ta muốn hiểu biết đa dạng di truyền và tiến hóa di truyền một loài cây trồng nào đó như một chặng đường quan trọng trong thực hiện chiến lược nghiên cứu quỹ gen phục vụ cho lai tạo giống mới. Các mẫu giống đậu nành được thu thập triệt để tại Hàn Quốc, tuy là nơi có diện tích đậu nành nhỏ bé, nhưng là vùng trung tâm theo phân bố địa lý của loài đậu nành trên thế giới. Chúng được đánh giá kiểu gen làm cơ sở dữ liệu sao cho đủ để trả lời các câu hỏi về di truyền quần thể. Sau khi loại bỏ các mẫu giống đậu nành do lai tạo trong tự nhiên, do tự nhân ra bản sao, hoặc mẫu giống đậu nành quá dư thừa, các tác giả thu được tập đoàn giống có tên là “non-redundant set” bao gồm giống thuần hóa từ 1957 và mẫu giống hoang dại với 1079 mẫu phục vụ cho phân tích di truyền quần thể theo cấu trúc. Kết quả đã chứng minh rằng: mẫu giống đậu nành hoang dại sẽ cần phải lấy thêm số mẫu tham gia cho nghiên cứu từ các vùng nội địa có tính đa dạng cao hơn để làm giàu cho ngân hàng gen, tập đoàn các giống đậu nành địa phương được thuần hóa lâu đời hiện đã bảo hòa xét trên nội hàm đa dạng di truyền. Các tác giả cho thấy bản đồ đa hình theo kiểu “genome-wide” như vậy có thể cho chúng ta khám phá những loci di truyền mới, ví dụ như màu hoa đậu nành, màu võ hạt đậu nành, và tập tính thuần hóa (domestication syndrome). Một tập đoàn giống đậu nành điển hình với 194 mẫu giống (accessions) được phân ra thành một quần thể phụ được thuần hóa, bốn quần thể phụ của đậu nành hoang dại; chúng có thể được theo dõi dấu vết của chúng tại các vùng địa lý mà người ta đã thu thập chúng. Phân tích di truyền quần thể cho thấy rằng: nhóm có tính chất di truyền “monophyletic” (đơn gia đình) của các giống đậu nành đã được thuần hóa, dường như có nguồn gốc từ một vùng nào đó của Nhật Bản. Kết quả cung cấp cho chúng ta một cây gia hệ (phylogenetic tree) xây dựng nên từ các đa hình mang tính chất “single nucleotide” kết hợp với sự thuần hóa. Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-018-3271-7

Hình: “Genome-wide association scans” của 3036 mẫu giống đậu nành xét theo kiểu hình màu hoa, màu võ hạt, và tính chất thuần hóa. (a) “Manhattan plot” của màu hoa. đường nằm ngang là ngưỡng giá trị có ý nghĩa “Bonferroni-adjusted”. Vùng trên nhiễm sắc thể được biết là các gen (T, I, R, W1) hoặc loci (PD05 và qSW) biểu thị bằng đường thẳng đứng. (b) “Manhattan plot” của màu vỏ hạt. (c) “Manhattan plot” của sự thuần hóa. (d) “Local Manhattan plot” (trên) và “LD heatmap” (dưới) bao quanh vùng locus T trên nhiễm sắc thể 6. Đường chấm chấm là vùng của T locus. Vị trí vật lý tính bằng kb được hiển thị theo “Manhattan plot”. (e) “Local Manhattan plot” (trên) và “LD heatmap” (dưới) bao quanh locus qSW trên nhiễm sắc thể 17. Thanh ngang biểu thị vùng của qSWlocus.

SbMATE là transporter bảo vệ rễ cao lương chống chịu lại độ độc nhôm

Nguồn: Janaina O. Melo, Laura G. C. Martins, Beatriz A. Barros, Maiana R. Pimenta, Ubiraci G. P. Lana, Christiane E. M. Duarte, Maria M. Pastina, Claudia T. Guimaraes, Robert E. Schaffert, Leon V. Kochian, Elizabeth P. B. Fontes, and Jurandir V. Magalhaes. 2018. Repeat variants for the SbMATE transporter protect sorghum roots from aluminum toxicity by transcriptional interplay in cis and trans. PNAS January 2, 2019 116 (1) 313-318

Aluminum (Al³⁺) trong đất acid, chiếm một nửa diện tích đất nông nghiệp toàn cầu, gây hại nghiêm trọng cho rễ cây trồng. Tại châu Phi, nơi mà cây cao lương là cây lương thực chính, 20% diện tích đất nông nghiệp là đất acidic, làm giảm năng suất đáng kể. SbMATE liên quan đến tính chống chịu Al của cây cao lương thông qua sự tiết ra citrate của rễ vào trong đất, trong đất, citrate kết gắn lại và khử độc chất của ion Al³⁺, nhưng khi SbMATE xuất hiện sẽ làm giảm sự thể hiện di truyền của một số nền tảng di truyền nào đó. Hiện tượng này làm cho hoạt động của  một phân tử “repeat” ở hai đầu của một transposon tại promoter của gen SbMATE tương tác với protein WRKY và protein “zinc finger-DHHC”. Những protein ấy kết gắn với promoter của gen SbMATE, rồi điều tiết sự thể hiện khi có phản ứng của Al³⁺. Người ta có thể chọn lọc những alen siêu việt đối với những phân tử TF này (transcription factors) để tối đa hóa sự thể hiện củ gen SbMATE. Hoạt động mang tính chất liên hoàn của alen chuyên biệt SbMATE xảy ra và chịu ảnh hưởng của các yếu tố từ gen SbMATE. Người ta thực hiện phương pháp bản đồ QTL  (bản đồ liên kết) và phương pháp bản đồ phối hợp (genome-wide association mapping) để tìm hiểu sự phiên mã của gen SbMATE được điều khiển theo hình thức có thuật ngữ chuyên môn là “bipartite fashion”, có cả hai tính chất cis và trans. Hoạt động liên hòan của promoter theo tính chất “multiallelic” (đa alen) như vậy, thông qua phân tích ChIP cho thấy rằng: ảnh hưởng phân tử liên hoàn của sự thể hiện gen SbMATE từ protein WRKY và protein “zinc finger-DHHC” (TFs) kết gắn với “trans-activate” xảy ra tại promoter của gen SbMATE. Kết quả phân tích “haplotype” cho thấy  quần thể RILs của cây cao lương có ảnh hưởng của TFs trong thể hiện gen SbMATE và tính chống chịu Al. Biến thiên của sự thể hiện gen SbMATE cho ra kết quả thay đổi những chuỗi trình tự có tính chất “repeated cis” gần với một nguyên tố chuyển vị (a miniature inverted repeat transposable element) đoạn phân tử chèn vào vùng promoter của gen SbMATE , mà gen này được ghi nhận khi có phản ứng với Al³⁺ của những TFs. Theo mô phỏng này, giống cao lương chống chịu Al làm tăng phân tử TF, do đó, sự thể hiện của SbMATE trái lại sẽ làm thấp hơn bản chất di truyền sự nhạy cảm với Al, làm giảm số phân tử TF và làm ít với các “binding sites”. Người ta chứng minh rằng sự điều hóa mang tính chất “dominant cis” của một gen có tầm quan trọng về nông học có thể được thao tác để làm rõ ràng hơn công tắc bật mở mang tính chất “intermolecular”. Tương tác cis/trans cho phép cây nhạy cảm và phản ứng tích cực với thay đổi bất lợi của môi trường bên ngoài, ví dụ như độ tính của Al³⁺ , người ta có thể sử dụng nguyên tắc này để làm tăng năng suất và đáp ứng yếu cầu an ninh lương thực trên đất nông nghiệp có tính acid như vậy. Xem https://www.pnas.org/content/116/1/313