Tuần tin khoa học 658 (28/10-03/11/2019)

Gen NAL8 mã hóa prohibitin liên quan đến lá và hoa lúa

Nguồn: Ke Chen, Tao Guo, Xin-Min Li, Yi-Bing Yang, Nai-Qian Dong, Chuan-Lin Shi, Wang-Wei Ye, Jun-Xiang Shan & Hong-Xuan Lin. 2019. NAL8 encodes a prohibitin that contributes to leaf and spikelet development by regulating mitochondria and chloroplasts stability in rice. BMC Plant Biology volume 19, Article number: 395 (2019).

Hình thái của lá lúa và số hoa lúa là hai tính trạng quan trọng đóng góp vào năng suất lúa. Phải hiều được làm thế nào các gen điều khiển linh hoạt “nguồn” và “sức chứa” một cách hài hòa trong loài mễ cốc, một nội dung vô cùng quan trọng sẽ cải tiến được năng suất hạt. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hình thái của lá và số lượng hạt trên bông lúa, nhưng cơ chế phân tử điều tiết nội dung ấy vẫn còn chưa được hiểu rõ ràng. Theo nghiên cứu này, các tác giả đã xác định protein có thuật ngữ chuyên môn là “prohibitin complex 2α subunit”, hay NAL8, đóng góp đáng kể vào tiến trình phát triển đối với chiều rộng lá bình thường và số lượng hoa lúa ở giai đoạn phát dục của cây. Kết quả nhấn mạnh sự thể hiện của gen NAL8. Người ta sử dụng phương pháp “genetic complementation”, hệ thống chỉnh sửa gen “CRISPR/Cas9”, hệ thống làm câm gen “RNAi” và hệ thống làm thể hiện mạnh mẽ gen để tạo ra cây lúa transgenic hoàn thiện chức năng của gen NAL8. Đột biến có chủ đích gen NAL8 gây ra sự suy giảm số lượng “plastoglobules” và “thylakoids” bị co lại trong lục lạp, dẫn đến làm giảm sự phân bào. Bên cạnh đó, hàm lượng auxin trong cây đột biến nal8 cao hơn cây lúa TQ, trong khi đó, hàm lượng cytokinin thấp hơn cây TQ. Phân tích trình tự RNA và phân tích proteomics cho thấy rằng gen NAL8 có trong chu trình truyền tín hiệu “hormone” cũng như quang tổng hợp trong “lục lạp” và hô hấp trong “ty thể bộ”. Tóm lại, kết quả này cho thấy một cách nhìn mới về chức năng của NAL8 như một “chaperone” (protein chỉ toàn là domain) trong điều hòa hình thái lá lúa và số hoa lúa thông qua ảnh hưởng của ty thể bộ và lục lạp, gắn với sự kiện phân bào trong cây lúa.

Xem https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12870-019-2007-4

Gen GmCAMTA12 tăng cường tính chống chịu khô hạn của đậu nành và Arabidopsis

Nguồn: Noman M, Jameel A, Qiang WD, Ahmad N, Liu WC, Wang FW, Li HY. 2019. Overexpression of GmCAMTA12 Enhanced Drought Tolerance in Arabidopsis and Soybean. Int J Mol Sci. 2019 Sep 29;20(19). pii: E4849.

Mười lăm protein TF (transcription factors) trong họ protein CAMTA (calmodulin binding transcription activator) của cây đậu nành được ghi nhận có sự điều tiết khác nhau đối với nhiều stress khác nhau. Tuy nhiên, chức năng của chúng vẫn chưa được biết rõ ràng. Muốn xác định vai trò của chúng đối với những stress khác nhau ấy, nhóm tác giả của công trình khoa học này đã tiến hành lần đầu tiên phân tích họ gen GmCAMTA  in silico. Sau đó, họ đã xác định các hợp phần thể hiện gen trong điều kiện stress khô hạn. Phân tích tin sinh học cho thấy rằng những nguyên tố điều hòa cis có liên quan đến các stress như vậy bao gồm ABRE, SARE, G-box và W-box, 10 phân tử miRNA (microRNA) độc nhất trong từng trường hợp chủa phân tử transcrip GmCAMTA và 48 proteins trong mạng lưới tương tác với protein GmCAMTAs. Họ dòng hóa một đoạn phân tử có kích thước 2769 bp CDS (coding sequence) của gen GmCAMTA12 trong một vec tơ được thiết kế phục vụ yêu cầu thể hiện gen  và cho thể hiện mạnh mẽ gen này trong cây đậu nành và cây Arabidopsis thông qua chuyển nạp gián tiếp bằng vi khuẩn Agrobacterium. Thế hệ cây T₃ (transgenic generation 3) được chuyển nạp ổn định qua các dòng đồng hợp tử của Arabidopsis biểu hiện tính chống chịu khô hạn được tăng cường đáng kể, trong đất cũng như trong dung dịch dinh dưỡng MS (Murashige and Skoog) có xử lý thêm mannitol. Trong nghiệm thức khô hạn, tỷ lệ cây Arabidopsis transgenic sống sót thông qua dòng OE5 và OE12 (Overexpression Line 5 and Line 12) là 83,66% và 87,87%, theo thứ tự. Tỷ lệ này cao hơn nghiệm thức đối chứng làm cây nguyên thủy (wild type) ~30%. Bên cạnh đó, kết quả xét nghiệm độ nẩy mầm và chiều dài rễ cũng như chỉ tiêu sinh lý, ví dụ proline và malondialdehyde, hoạt tính của catalase và đứt dòng chảy electrolytes đã khẳng định mức hoàn thiện của các dòng OE tốt hơn. Tương tự, sự thể hiện mạnh mẽ gen GmCAMTA12 trong đậu nành thông qua số rễ lôn tơ hữu hiệu tăng lên khi bị khô hạn trong các dòng khảm OE  so sánh với đối chứng VC (Vector control). Song song sự kiện đó, sự hoàn thiện về tăng trưởng được cải tiến rõ rệt của dòng OE trong nghiệm thức Hoagland-PEG (polyethylene glycol) và nghiệm thức MS-mannitol được ghi nhận qua kiểu hình, qua chỉ tiêu sinh lý và chỉ tiêu phân tử. Hơn nữa, thông qua sự thể hiện mạnh mẽ gen GmCAMTA12, những gen ở cận dưới (downstream genes) bao gồm AtAnnexin5, AtCaMHSP, At2G433110 và AtWRKY14 được điều tiết theo kiểu “up” trong cây Arabidopsis. Giống như vậy, trong rễ lông tơ cây đậu nành, gen GmELO, GmNAB và GmPLA1-IId đều được điều tiết theo kiểu “up” như kết quả biểu hiện mạnh mẽ gen GmCAMTA12 mà các gen điều tiết theo kiểu này trong hai cây đậu nành, cây Arabidopsis đều có CAMTA kết gắn với motif CGCG/CGTG tại những promoters của chúng. Gom lại những kết quả nêu trên, người ta ghi nhận rằng GmCAMTA12 có vai trò hỗ trợ trong tính chống chịu khô hạn của cây đậu nành và có thể cứng minh rằng nó là một ứng cử viên mới trong công nghệ di truyền hệ gen cây đậu nành, cũng như loài cây trồng khác chống chịu được stress do khô hạn. Một vài khiếm khuyết trong nghiên cứu này cũng đã được ghi nhận, để những nghiên cứu tiếp theo khắc phục và mở rộng thêm sự hiểu biết của chúng ta  về cơ chế điều hòa khi bị stres có liên quan đến Ca-CaM-CAMTA.

Xem https://www.mdpi.com/1422-0067/20/19/4849/htm

Hình 2: Phân bố trên nhiễm sắc thể các gen GmCAMTA. Tổng cộng 15 gen GmCAMTA định vị trên nhiễm sắc thể 5, 7, 8, 9, 15, 17 và 18.

Cải tiến khối lượng hạt mễ cốc bằng kỹ thuật NAM (nested association mapping)

Nguồn: Xiaoqian Wang, Luhao Dong, Junmei Hu, Yunlong Pang, Liqin Hu, Guilian Xiao, Xin Ma, Xiuying Kong, Jizeng Jia, Hongwei Wang, Lingrang Kong. 2019. Dissecting genetic loci affecting grain morphological traits to improve grain weight via nested association mapping. Theoretical and Applied Genetics; November 2019, Volume 132, Issue 11, pp 3115–3128

Những QTLs (quantitative trait loci) điều khiển tính trạng hình thái của hạt đã được phân lập thông qua bản đồ phối hợp lồng ghép NAM (nested association mapping) và đã được minh chứng trong tập đoàn giống lúa mì trong tự nhiên, với phân tích “haplotype”. Khối lượng hạt, một trong ba hợp phần cấu thành năng suất cây trồng, được xác định bởi nhiều tính trạng có tính chất hình thái học của hạt. Cơ sở di truyền của hình thái hạt có thể giúp người ta dễ dàng hơn trong cải tiến khối lượng hạt và năng suất hạt. Theo nghiên cứu này, bốn quần thể cận giao tái tổ hợp RILs của lúa mì được tạo ra bằng cách lai giữa giống cao sản Yanzhan 1 với 3 giống lúa mì nửa hoang dại (semi-wild wheat varieties: i.e., Chayazheda, Yutiandaomai, và Yunnanxiaomai) có nguồn gốc ở Xinjiang, Tibet, và Yunnan, theo thứ tự; và một mẫu giống lúa mì ngoại nhập Hussar có nguồn gốc Anh Quốc. Chúng được nghiên cứu có hệ thống về di truyền tính trạng khối lượng hạt và tám tính trạng hình thái tại 7 địa điểm ruộng thí nghiệm khác nhau. Tám mươi tám QTLs cho tất cả tính trạng nói trên đã được xác định thông qua bản đồ di truyền NAM sử dụng 14.643 chỉ thị SNP có chất lượng cao về đa hình trong “90 K SNP array”. Theo đó, có 64 QTL (72,7%) biểu thị alen tốt nhất có từ nguồn lúa mì nửa hoang dại. Đối với 14 chùm QTL (clusters) ảnh hưởng đến hai tính trạng hình thái, có chín cluster của QTL định vị trên cùng một vị trí với những gen hoặc QTL chưa được biết, có năm chùm QTL khác là QTL mới. Ba QTL mới rất quan trọng (i.e., qTGW-1B.1, qTGW-1B.2, và qTGW-1A.1) đã được phân tích sâu, minh chứng bởi phân tích “haplotype” của quần thể lúa mì tự nhiên. Những haplotypes mong muốn đối với ba QTLs này có thể được sử dụng trong chọn giống nhờ chỉ thị phân tử đối với cải tiến năng suất lúa mì thông qua cải biên tính trạng hình thái.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03410-4

QTL điều khiển tính kháng bệnh than trên hạt lúa mì

Nguồn: Firdissa E. Bokore, Richard D. Cuthbert, Ron E. Knox, Arti Singh, Heather L. Campbell, Curtis J. Pozniak, Amidou N’Diaye, Andrew G. Sharpe, Yuefeng Ruan. 2019. Mapping quantitative trait loci associated with common bunt resistance in a spring wheat (Triticum aestivum L.) variety Lillian. Theoretical and Applied Genetics; November 2019, Volume 132, Issue 11, pp 3023–3033.

Giống lúa mì mùa xuân Lilian thích nghi rộng với môi trường canh tác. Có hai QTL được phân lập trong giống Lillian (Triticum aestivum L.) định vị trên nhiễm sắc thể 5A và 7A. Chúng có thể được khai thác như gen đích trong chiến lược chọn giống bằng chỉ thị phân tử, cải tiến tính kháng bệnh than của lúa mì cao sản. Bệnh than có thuật ngữ tiếng Anh là “Common bunt of wheat” do nấm Tilletia tritici và T. laevis gây ra, làm tổn hại nghiêm trọng giá trị kinh tế của sản xuất lúa mì, làm mất năng suất và làm giảm phẩm chất lúa mì. Tính kháng bệnh ở đây là tính kháng số lượng, do nhiều gen điều khiển. Giống lúa mì mùa xuân “Canada Western Red Spring” có tên thương mại là Lillian biểu hiện tính kháng bệnh trung bình đối với nòi vi nấm ở vùng thảo nguyên Canada. Người ta xác định gen và QTL  trên bản đồ di truyền QTL đối với tính kháng bệnh than (common bunt) trong giống lúa mì Lillian. Quần thể đơn bội kép DH (doubled haploid) có 280 dòng được phát triển từ F₁ của tổ hợp lai Lillian x Vesper. Các dòng lúa này được chủng bệnh ở giai đoạn mạ với hai nòi L16 (T. laevis) và T19 (T. tritici), trên ruộng lúa gần Swift Current, SK, vào năm 2014, 2015 và 2016. Chúng được đánh giá tính kháng bệnh. Đánh giá kiểu gen được tiến hành với công cụ “90 K iSelect SNP genotyping assay”, với bản đồ di truyền phân giải cao. Phân tích QTL được tiến hành với phần mềm MapQTL.6^®. Hai QTL điều khiển tính kháng bệnh than ổn định được tìm thấy sau 3 năm nghiên cứu, chúng định vị trên nhiễm sắc thể 5A và 7A từ giống lúa mì Lillian. Bên cạnh đó, 3 QTL kém ổn định hơn, xuất hiện chỉ có một năm trong 3 năm nghiên cứu, đã được xác định: một có trong giống Lillian định vị trên nhiễm sắc thể 3D và hai có trong giống Vesper định vị trên nhiễm sắc thể 1D và 2A. Tương tác không alen (epistatic interaction) được ghi nhận trong điều khiển tính kháng bệnh than ở giữa hai nhiễm sắc thể 3D và 7A cho kết quả tính kháng mạnh hơn. Chọn tạo giống lúa mì kháng bệnh than sẽ đạt hiệu quả cao nếu kết hợp được những QTL này vào trong chiến lược chồng gen, quy tụ gen (gene pyramiding).

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03403-3

GWAS áp dụng trong nghiên cứu kích thước hạt đậu đũa

Nguồn: Sassoum Lo, María Muñoz-Amatriaín, Samuel A. Hokin, Ndiaga Cisse, Philip A. Roberts, Andrew D. Farmer, Shizhong Xu, Timothy J. Close. 2019. A genome-wide association and meta-analysis reveal regions associated with seed size in cowpea [Vigna unguiculata (L.) Walp]. Theoretical and Applied Genetics; November 2019, Volume 132, Issue 11, pp 3079–3087.

Báo cáo khoa học này kết hợp kỹ thuật GWAS, kỹ thuật phân tích theo “meta-analysis” và kỹ thuật so ánh trình tự tương đồng (sequence homology comparison) đối với cây đậu đũa nhằm xác định vùng định vị của gen điều khiển kích cỡ hạt đậu đũa trong quá trình thuần hóa từ loài hoang dại. Kích cỡ hạt (Seed size) là tính trạng quan trọng quyết định năng suất và giá trị thương phẩm của đậu đũa khi sấy khô. Kích cỡ hạt biến thiên rất mạnh mẽ tùy theo giống đậu đũa trong ngân hàng giống. Cơ sở di truyền của những biến thiên như vậy chưa được biết rõ ràng. Để làm sáng tỏ điều ấy, người ta tiến hành phân tích cơ sở di truyền của tính trạng hạt đậu đũa thông qua GWAS (genome-wide association study) và meta-analysis. Người ta sử dụng tập đoàn giống với 368 mẫu giống có mức độ da dạng cao từ 51 quốc gia. Bốn tính trạng bao gồm khối lượng hạt, chiều dài, chiều rộng hạt và tỷ trọng hạt được đánh giá kiểu hình qua 3 điểm thí nghiệm. Sử dụng 51.128 chỉ thị SNPs phủ trên toàn bộ hệ gen cây đậu đũa, 17 loci đã được phân lập đối với 3 tính trạng nói trên. Một locus điều khiển cả khối lượng hạt, dài và rộng hạt, chúng tỏ đây là gen đa tính trạng (pleiotropy). Phân tích “synteny”, người ta xác định sáu gen ứng cử viên Vigun05 g036000, Vigun05 g039600, Vigun05 g204200, Vigun08 g217000, Vigun11 g187000, và Vigun11 g191300  liên quan đến tính trạng kích thước hạt như phát triển phôi mầm, nội nhũ, và vươn dài tế bào. Kết hợp kỹ thuật GWAS và meta-analysis với so sánh synteny là cách tiếp cận rất hiệu quả để xác định gen ứng cử viên đối với tính trạng phức tạp trong cây đậu đũa.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-019-03407-z