Tuần tin khoa học 641 (01-07/07/2019)

Hiện tượng mitophagy và động thái của ty thể bộ cần thiết cho nấm gây bệnh đạo ôn lúa phát triển bệnh

Nguồn: Kou Y, He Y, Qiu J, Shu Y, Yang F, Deng Y, Naqvi NI. 2019. Mitochondrial dynamics and mitophagy are necessary for proper invasive growth in rice blast. Mol Plant Pathol. 2019 Jun 20.

Nấm Magnaporthe oryzae gây bệnh đạo ôn lúa, là đối tượng gây hại lớn nhất cho sản xuất lúa trên toàn thế giới cũng như các loài mễ cốc khác. Magnaporthe oryzae cần phải có sự đồng hợp với sự kiện điều tiết gen, thay đổi hình thái nấm, nhu cầu dinh dưỡng và ký chủ tương thích cho xâm nhiễm và phát triển quần thể trong cây chủ. Do đó, người ta cần tìm hiểu cặn kẽ những cơ chế ở mức độ phân tử liên quan đến sự điều hòa gen thể hiện khi nấm xâm nhiễm vào cây chủ. Các tác giả công trình nghiên cứu này đã xác định khá chính xác chu trình “filamentous-punctate-filamentous” (khuẩn ty – bào tử - khuẩn ty) trong hình thái ty thể bộ suốt quá trình tương tác giữa nấm Magnaporthe và cây lúa. Rất lý thú là, có hiện tượng đột phá động thái của ty thể bộ thông qua việc làm mất đi những gen nào đó sẽ điều tiết hoạt động dung hợp của ty thể bộ (mitochondrial fusion) (MoFzo1) hoặc hiện tượng sinh đôi (fission) (MoDnm1), hoặc ức chế  sự sinh đôi của ty thể bộ bằng Mdivi-1; kết quả sẽ tạo ra sự suy giảm đáng kể phát sinh bệnh đạo ôn do nấm M. oryzae. Bên cạnh đó, nguồn carbon ngoại sinh không phải nghiệm thức “antioxidant” đã làm trì hoãn động thái của ty thể bộ, sự di chuyển của ty thể bộ trong khi nấm xâm nhiễm vào cây lúa. Trái lại, hiện tượng đói carbon đã kích thích sự phá vỡ hệ thống hoạt động của ty thể bộ và dẫn đến kết quả nhiều ty thể bộ dạng đốm in vitro. Sự điều tiết trên cơ sở dinh dưỡng ấy của động thái ty thể bộ mà tiền thân là hiện tượng mitophagy trên cơ sở MoAtg24, mà MoAtg24 rất cần thiết cho sinh vật dị dưỡng trong quá trình xâm nhiễm để ký sinh trên cây lúa.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31218796

GmSDP1 và phẩm chất dầu đậu nành (Glycine max L.)

Nguồn: Kanai M, Yamada T, Hayashi M, Mano S, Nishimura M. 2019. Soybean (Glycine max L.) triacyl glycerol lipase GmSDP1 regulates the quality and quantity of seed oil. Sci Rep. 2019 Jun 20; 9(1):8924.

Hạt đậu nành (Glycine max L.) là nguồn dầu thực vật chính của loài người. Trong quá khứ, cải tiến hàm lượng dầu đậu nành đã được tiến hành cả về chất lượng và số lượng. hàm lượng triacyl glycerols (TAGs) là nhân tố chính của dầu đậu nành từ hạt, người ta hiểu rằng sự điều hòa có tính chất biến dưỡng hàm lượng TAGs trong hạt đậu nành là vô cùng cần thiết. Ở đây, nhóm tác giả nghiên cứu công trình khoa học này đã  xác định 4 gen mã hóa protein “TAG lipases”, ký hiệu là SUGAR DEPENDENT1-1 (GmSDP1-1), GmSDP1-2, GmSDP1-3 và GmSDP1-4; chúng là những gen tương đồng (homologous) nếu so sánh với Arabidopsis thaliana SDP1 (gen AtSDP1). Xác định chức năng của những gen như vậy  trong thời kỳ vào chắc của hạt đậu nành, người ta quan sát các dòng đậu nành transgenic được tái sinh thông qua phân tử RNA can thiệp để thực hiện “knockdown” sự thể hiện của tất cả bốn gen GmSDP1. Hàm lượng dầu trong cây đậu nành transgenic gia tăng đáng kể so sánh với dòng đậu nành nguyên thủy (WT). Bên cạnh đó, phổ điện phân của những acid béo (fatty acid profiles) trong cây đậu nành WT và cây đậu nành transgenic đã được thay đổi; hàm lượng linoleic acid, một acid béo chủ lực của hạt đậu nành, giảm đáng kể, nhưng hàm lượng oleic acid tăng cao trong các dòng đậu nành transgenic so với đậu nành WT. Những thí nghiệm đặc biệt về từng cơ chất của đậu nành cho thấy men “TAG lipase” có xu hướng phân cắt oleic acid nhiều hơn là linoleic acid ở màng bao bên ngoài của hạt tinh thể dầu trong cây đậu nành WT. Điều na2ny chứng minh rằng: protein GmSDP1 điều tiết cả hàm lượng TAG và thành phần của acid béo trong hạt đậu nành ở giai đoạn đầy hạt (grain filling). Đây là chiến lược nghiên cứu mới nhằm cải tiến phẩm chất đậu nành và số lượng dầu đậu nành. Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31222045

Phân tích các phân tử transcript của cây khoai mì chống chịu hạn

Nguồn: Xiao L, Shang XH, Cao S, Xie XY, Zeng WD, Lu LY, Chen SB, Yan HB. 2019. Comparative physiology and transcriptome analysis allows for identification of lncRNAs imparting tolerance to drought stress in autotetraploid cassava. BMC Genomics. 2019 Jun 21;20(1): 514.

Đa bội thể hóa, phổ biến trong các loài thực vật bậc cao, làm chúng tăng cường khả năng thích nghi với sự thiếu nước, nhưng nguyên tắc cơ bản về sinh lý học và sinh học phân tử cần phải được nghiên cứu cặn kẽ hơn. Phân tử lcnRNAs (long non-coding RNAs) có trong tính trạng chống chịu khô hạn của nhiều loài cây trồng khác nhau. Ở đây, các tác giả nghiên cứu công trình khoa học này đã chúng minh rằng: khả năng của loài tứ bội như khoai mì (Manihot esculenta Crantz) chống chịu được với khô hạn. Dị tứ bội thể (autotetraploidy) làm giảm sự thoát hoi nước của cây thông qua giảm tăng kích thước, tăng mật độ khí khổng, kích thước của khí khổng nhỏ hơn, hoặc sự đóng lại của khí khổng mạnh hơn, giảm tích tụ H₂O₂ khi bị stress khô hạn. Phân tích ở mi71c độ phân tử transcrip (transcriptome) của cây dị tứ bội cho thấy có sự điều tiết theo kiểu DOWN của các gen  có liên quan đến quang tổng hợp khi bị stress khô hạn, và ít điều tiết theo kiểu “down” đối với gen mã hóa men “subtilisin-like proteases” liên quan đến việc tăng mật độ khí khổng. Men UDP-glucosyltransferases tăng lên nhiều hoặc giảm đi một ít trong mẫu lá khô nước của cây dị tứ bội so với cây đối chứng. Cơ sở dữ liệu “Strand-specific RNA-seq” (được minh chứng bởi quantitative real time PCR) xác định 2372 phân tử lncRNAs, và 86 phân tử “autotetraploid-specific lncRNAs” biểu hiện khác nhau trong lá sắn bị khô nước. Phân tích đồng thời theo hệ thống biểu hiện (co-expressed network analysis) cho thấy LNC_001148 và LNC_000160 trong lá cây khô nước của cây dị tứ bội điều tiết sáu gen mã hóa “subtilisin-like protease”, kết quả là làm tăng mật độ khí khổng cho đến khi kích thước giảm nhiều hơn trong cây khoai mì dị tứ bội. Phân tích “trans-regulatory network” cho thấy phân tử lncRNAs của cây dị tứ bội biểu hiện khác biệt nhau, gắn liền với cơ chế biến dưỡng galactose, chu trình pentose phosphate và sinh tổng hợp brassinosteroid, etc. Kết luận: khả năng tiềm tàng của cây tứ bội thể chống chịu khô hạn trong khoai mì là khả thi, và chống chịu khô hạn dựa trên nền tảng của LNC_001148 & LNC_000160 thông qua điều tiết mật độ khí khổng trong cây khoai mì dị tứ bội.

Xem https://bmcgenomics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12864-019-5895-7

Hình: Khoai mì tứ bội thể làm tăng cường tính chống chịu khô hạn. (a) So sánh RWC, (b) phần trăm nước bị mất trong lá khoai mì, (c) mức độ thoát hơi nước của cây non 3 tháng tuổi giữa cây khoai mì lưỡng bội và tứ bội. Values are means ± SD (*p < 0.05, **p < 0.01, Student’s t-tests)

Gen kháng bệnh đốm lá đậu cô ve Phg-2

Nguồn: Juanita Gil, Diana Solarte, Juan David Lobaton, Victor Mayor, Santos Barrera, Carlos Jara, Steve Beebe, Bodo Raatz. 2019. Fine-mapping of angular leaf spot resistance gene Phg-2 in common bean and development of molecular breeding tools. Theoretical and Applied Genetics; July 2019, Volume 132, Issue 7, pp 2003–2016

Gen kháng bệnh đốm lá đậu cô ve (common bean angular leaf spot) ký hiệu là Phg-2 được thực hiện “fine-mapping” trong khu vực có độ lớn phân tử là 409-Kbp, các chỉ thị phân tử được phát triển trong vùng này sẽ giúp nhà chọn giống phát triển giống kháng mong muốn. Đậu cô ve (Phaseolus vulgaris L.) là loài cây họ đậu quan trọng trong thục phẩm rau xanh ở vùng châu Mỹ La tinh, châu Á và châu Phi. Đây là nguồn protein quan trọng, cũng như carbohydrates và những vi khoáng chất, đặc biệt đối với nông dân sản xuất nhỏ. Năng suất đậu cô ve bị ảnh hưởng bởi bệnh ALS (angular leaf spot: bệnh đốm lá) do vi nấm Pseudocercospora griseola gây ra, làm thiệt hại rất lớn đến năng suất đậu, đặc biệt cho người sản xuất nhỏ ở vùng nhiệt đới. Gen kháng bệnh ALS được ký hiệu là Phg-2, được người ta tìm thấy trong các mẫu giống đậu có tính kháng cao với nấm P. griseola, người ta tiến hành  nghiên cứu trong nhiều cặp lai giữa các dòng vật liệu cho Mesoamerican và các dòng cao sản ưu việt Andean. Cơ sở dữ liệu NGS (next-generation sequencing) được ứng dụng để thiết kế những chỉ thị phân tử SNP mới. Locus Phg-2 được xác định là locus chính điều khiển tính kháng bệnh ALS trong những cặp lai thử nghiệm. Locus này được “fine-mapped” ở vùng có độ lớn phân tử 409-Kbp, trên nhiễm sắc thể số 8. Hai clusters di truyền của những gen có LRR cao đã được xác định trong vùng này, đó là gen ứng cử viên tốt nhất đối với Phg-2. Những chỉ thị phân tử được xác định liên kết rất gần với gen Phg-2 và rất chuyên biệt với từng nguồn bố cho gen. Chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) được áp dụng để du nhập locus Phg-2 kháng bệnh vào các mẫu giống ưu việt về năng suất của tập đoàn Andean breeding germplasm, thông qua các dòng hồi giao cải tiến (MAB lines). Sự hữ dụng của những chỉ thị phân tử theo MAS được khẳng định qua đánh giá ngoài đồng tại nhiều địa điểm, phục vụ thanh lọc các dòng con lai của nhiều tổ hợp lai khác nhau, cấy nhân tạo nguồn nấm bệnh với các “ALS pathotypes” khác nhau. Cơ sở dữ liệu NGS là công cụ rất mạnh để định tính các loci di truyền và có thể được áp dụng để phát triển những công cụ chọn giống khác.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03334-z

Hình: Fine-mapping gen Phg-2 tại locus có kích thước phân tử 409-Kbp region. Bố mẹ và các dòng con lai recombinants có thông tin tốt nhất được thể hiện; hai dòng phân ly từ những gia đình đang phân ly được xem trong danh mục. Dòng mã hóa (đánh số ID) từ tổ hợp lai nào, thế hệ nào, cá thể có số thứ tự bao nhiêu đều có thể hiển thị theo dữ liệu ID với kiểu hình và kiểu gen rõ ràng. Cây kháng, dòng gắn với gen kháng có màu xanh lá cây, dòng nhiễm có màu đỏ. Vùng được “fine-mapped” có tất cả 70 gen từ đó 15 gen thể hiện bản chất motif “LRR” được ghi nhận với hệ thống tự vệ của cây (khung hộp màu đỏ).

LRR: leucine rich repeat.