Tuần tin khoa học 681 (13-19/04/2020)

Gen kháng bệnh đạo ôn Pi54 biểu hiện mạnh mẽ với nhiều pathogens

Nguồn: Singh J, Gupta SK, Devanna BN, Singh S, Upadhyay A, Sharma TR. 2020. Blast resistance gene Pi54 over-expressed in rice to understand its cellular and sub-cellular localization and response to different pathogens. Sci Rep. 2020 Mar 23;10(1):5243. doi: 10.1038/s41598-020-59027-x.

Gen kháng bệnh đạo ôn Pi54 có phổ kháng rộng đối với nhiều chủng nòi của nấm Magnaporthe oryzae. Sự hiểu biết về cách thức định vị protein Pi54 trong tế bào là yêu cầu bức thiết để giải thích làm sao có tương tác giữa cây chủ với gen Avr của nấm. Kết quả nghiên cứu này xác định tính chất định vị có tính chất “sub-cellular” (dưới mức độ tế bào) của protein Pi54 thông qua phương pháp GFP (Green Fluorescent Protein) làm chỉ thị đánh dấu phân tử (molecular tag) bằng “transient” và sự biểu hiện khá bền vững trong tế bào biểu bì của hành tây (Allium cepa) và giống lúa japonica nhiễm bệnh Taipei 309 (TP309), theo thứ tự. Sử dụng kính hiển vi soi nổi để quan sát tế bào biểu bì của hành tây cho thấy dấu hiệu đặc biệt huỳnh quang GFP của nhân và  tế bào trần. Trong cây lúa chuyển nạp gen ổn định, tín hiệu GFP được nhận biết trong khí khổng (stomata), bên trên tế bào biểu bì, tế bào diệp nhục (mesophyll cells), bó mạch dẫn truyền, và thành của bẹ lá lúa, những tế bào bulliform trong mô lá lúa. Quan sát này được minh chứng thêm bằng phương pháp “immunocytochemical studies” (hóa miễn dịch tế bào). Người ta sử dụng kháng thể đặc hiệu với GFP, kết quả cho thấy rằng: có mức độ tương thích giữa GFP :: Pi54 protein trong tế bào chất ở tế bào diệp nhục trong lá lúa (mesophyll) và mặt ngoài của tế bào biểu bì. Đáng chú ý là các dòng lúa transgenic trong khảo cứu này có thể biểu hiện tính kháng trung bình với vi khuẩn Xanthomonas oryzae gây bệnh cháy bìa lá và nấm gây bệnh đốm vằn Rhizoctonia solani. Đây là báo cáo nghiên cứu đầu tiên về định vị protein kháng bệnh ở mức độ tế bào và dưới mức độ tế bào (subcellular distribution) về tính kháng phổ rộng của gen Pi54 trong cây lúa, tác động của thể hiện gen đối với pathogen là nấm và vi khuẩn gây bệnh cho lúa.

Xem: https://www.nature.com/articles/s41598-020-59027-x

Chỉnh sửa gen giống ngô nếp bằng hệ thống CRISPR-Cas9

Nguồn: Xiantao Qi, Hao Wi, Haiyang Jiang, Jinjie Zhu, Changling Huang, Xin Zhang, Changlin Liu, Beijiu Cheng. 2020. Conversion of a normal maize hybrid into a waxy version using in vivo CRISPR/Cas9 targeted mutation activity. The Crop Journal, Available online 23 March 2020

Ngô nếp (waxy maize) là giống ngô đặc sản cung cấp thức ăn giàu “amylopectin starch” làm lương thực hoặc sản phẩm công nghiệp. Mục tiêu nghiên cứu nhằm xác định phương pháp khắc phục được hạn chế của alen “wx mutant” và nâng cao hiệu quả chọn giống giữa các nguồn vật liệu bố mẹ chuyển từ trạng thái ngô bình thường thành ngô nếp. Đột biến định hướng được thực hiện in vivo CRISPR/Cas9 machinery bao gồm đột biến có định hướng mong muốn locus Wx của giống ngô ZC01, được viết tắt là ZC01-DTM^wx. Sàng lọc di truyền đến lần thứ ba các con lai đang phân ly (segregants), người ta nhận được sự hồi phục hầu như toàn bộ genome khá cao với đột biến wx không có transgene. Đột biến có chủ đích cho kết quả sáu dạng hình đột biến xảy ra trong con lai của giống ZC01-DTM^wx. Hàm lượng amylopectin trong nội nhũ của dòng đột biến và con lai (hybrids) biến thiên trung bình là 94,9%, so sánh với wild-type (đối chứng) ở mức độ có ý nghĩa thống kê P < 0.01, đạt giá trị 76,9%. Sàng lọc hai lần trong các dòng không có transgene với phương pháp “Bar strip test” và “Cas9 PCR”. Tỷ lệ hồi phục genome của các dòng ngô này được xác định bằng cơ sở dữ liệu “genome-wide SNP”. Các dòng có sử dụng bố hồi phục đạt 98,19% và các dòng có sử dụng dòng mẹ hồi phục 86,78%. Con lai chuyển đổi (conversion hybrids) và bố mẹ đều cho kết quả tính trạng nông học tương tự với cây nguyên thủy (wild-type). Kết quả cho thấy đây là minh chứng cho nội dung khai thác thành công hệ thống CRISPR/Cas9 đột biến có chủ đích đối với loài cây trồng cho hạt như cây ngô.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214514120300441

Hình 2: Đột biến có chủ đích gen ZmWX  in vivo theo phương pháp DTM đối với quần thể con lai BC₂F₂ của 2 dòng bố mẹ, 35Mu và 35Fu. Nucleotides màu đỏ và chữ có gạch đích là protospacer-motif (PAM); Nucleotides in đậm màu xanh dương là spacer region; Nucleotides hoặc gạch ngang bằng chữ in đậm màu đỏ  là đột biến mới phát sinh.

Kích cỡ trái cà chua được điều tiết bởi gen ENO

Nguồn: Fernando J. Yuste-Lisbona, Antonia Fernández-Lozano, Benito Pineda, Sandra Bretones, Ana Ortíz-Atienza, Begoña García-Sogo, Niels A. Müller, Trinidad Angosto, Juan Capel, Vicente Moreno,  José M. Jiménez-Gómez, and Rafael Lozano. 2020. ENO regulates tomato fruit size through the floral meristem development network. PNAS April 7, 2020; vol. 117 (14) 8187-8195

Kích cỡ trái cà chua tăng là một trong những thay đổi chính liên quan đến thuần hóa giống cà chua trồng trọt. Hiện nay nó là mục tiêu quan trọng của lai tạo giống mới. Đột biến tại gen đích cà chua LOCULE NUMBER và Arabidopsis là WUSCHEL và CLAVATA3, đã và đang góp phần làm tăng kích cỡ trái cà chua thông qua sự thay đổi hoạt động của sinh mô (meristem). Người ta đã xác định được ENO là một “regulator” trái cà chua, nó có chức năng điều tiết sự thể hiện gen WUSCHEL để hạn chế sự phát triển quá mức của tế bào gốc (stem-cell) đặc biệt là ở hoa. Theo tác giả, có một đột biến tại promoter của ENO đã được ghi nhận và thu thập trong quá trình thuần hóa cà chua để xây dựng nên nền tảng trí thức về làm cách nào tăng cường kích cỡ trái của giống cà chua trồng trọt, điều này còn xác định rằng những thay đổi phiên mã của những regulators chủ chốt có ý nghĩa hết sức quan trọng quyết định kiểu hình các tính trạng nông học. Một sự tiến hóa về kích cỡ trái song hành với quá trình thuần hóa những loài cây trồng cho trái ăn được. Cà chua (ENO), và yếu tố phiên mã AP2/ERF; chúng điều tiết hoạt động của sinh mô chồi hoa. Do vậy, đột biến gen ENO làm cây cà chua cho năng suất cao hơn với quả có nhiều buồng chứa hạt (multilocular fruits) do tăng kích cỡ trái của sinh mô phát sinh hoa. Phân tích di truyền cho thấy gen eno gây ra một sự phát triển của domain <span style="mso-fareast-font-family:" times="" new="" roman";="" mso-fareast-theme-font:major-fareast;mso-bidi-font-family:"times="" mso-bidi-theme-font:minor-bidi"="">SlWUS tại những cơ quan liên quan đến hoa tự. Kết quả găn kết in vitro cho thấy ENO có thể tương tác với yếu tố điều tiết cis tại GGC-box định vị trong promoter SlWUS, khẳng định rằng ENO điều tiết trực tiếp sự thể hiện của domain SlWUS để duy trì trạng thái homeostasis của tế bào gốc trong mô phân sinh hoa. Nghiên cứu biến dị tự nhiên của alen tại locus ENO là phản ánh thực tế về hình thái đột biến “cis-regulatory” ở promoter của ENO tại điểm đích đã được xác định bởi phương pháp chọn lọc tích cực (positive selection) trong quá trình thuần hóa giống cà chua, đề ra một nguyên tắc căn bản số buồng quả (fruit locule) và kích cỡ quả.

Xem https://www.pnas.org/content/117/14/8187

QTL điều khiển tính kháng nhện xanh ký sinh lá sắn

Nguồn: Ezenwaka L, Rabbi I, Onyeka J, Kulakow P, Egesi C. 2020. Identification of additional /novel QTL associated with resistance to cassava green mite in a biparental mapping population. PLoS One. 2020 Apr 2;15(4):e0231008. doi: 10.1371/journal.pone.0231008. eCollection 2020.

Nhện xanh ký sinh lá sắn CGM được viết tắt từ chữ “cassava green mite” [Mononychellus tanajoa (Bondar)]. Đây là đối tượng gây hại nặng nề nhất trong mùa khô ở hầu hết vùng trồng sắn. Đối tượng gây hại làm giảm năng suất củ sắn tươi trên 80%. Khai thác chiến lược giống kháng nhện xanh CGM đạt hiệu quả cao nhất về kinh tế và bền vững nhằm phòng ngừa sự thất thoát năng suất. Mục tiêu nghiên cứu nhằm làm rõ tính ổn định của các gen kháng CGM đã được công bố trước đây rồi, mục tiêu còn nhằm xác định các gen kháng mới với CGM trong quần thể con lai “bi-parental mapping” và ước đoán bản chất di truyền tính trạng này. Quần thể bao gồm109 cá thể F1 của cặp lai giữa vật liệu kháng CGM là TMEB778 và vật liệu rất nhiễm nhện xanh là TMEB419. Chúng được khảo nghiệm tại điểm nóng của dịch hại CGM ở Nigeria qua hai vụ trồng liên tiếp. Người ta sử dụng 42.204 chỉ thị SNP với giá trị MAF ≥ 0.05 để thực hiện phân tích SMA (single-marker analysis). Vị trí QTL có ý nghĩa nhất là (S12_7962234) đã được phân lập trên vai trái của nhiễm sắc thể 12. QTL này giải thích được biến thiên kiểu hình với tỷ lệ cao và liên kết chặt với chỉ thị SNP liên quan đến tính kháng dịch hại CGM cũng như lông tơ của lá sắn LP (leaf pubescence). Những chỉ thị SNP đồng vị trí liên quan đến tính kháng  dịch hại CGM và LP định vị trên nhiễm sắc thể số 12. Chúng hoạt động có tính chất gen đa tính trạng (pleiotropic effect) hoặc liên kết chặt theo khoảng cách vật lý. Marker SNP có ý nghĩa nhất được chú thích rõ ràng (gene annotations). Có 33 gen mang tính chất độc nhất vô nhị được xác định trong vùng SNPs ở đoạn phân tử có kích thước 4 – 8 Mb trên nhiễm sắc thể 12. Trong những gen ấy, có 9 gen ứng cử viên mới được đặt tên là; Manes. 12077600; Manes. 12G086200; Manes. 12G061200; Manes. 12G083100; Manes. 12G082000; Manes. 12G094100; Manes. 12G075600; Manes. 12G091400 và Manes.12G069300 biểu hiện gen rất mạnh mẽ liên quan trực tiếp đến tính kháng nhện xanh. Quy tụ các gen và QTL này được xác định trên nhiễm sắc thể 12 với những loci đã được công bố trước đó, ví dụ như trên nhiễm sắc thể 8, sẽ giúp cho nhà chọn giống thực hiện thắng lợi kế hoạch chọn tạo giống sắn cảo sản kháng được dịch hại do nhện xanh gây ra.

Xem: http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0231008

Cây bản địa của Australia có khả năng khai thác làm vaccine chống COVID-19

Nguồn: ISAAA News - April 8, 2020

Một nhóm các nhà khoa học của Queensland University of Technology (QUT) thực hiện giải trình tự genome của giống cây bản địa Australia rất cổ xưa trước khi dịch COVID-19 bùng phát trên toàn thế giới. Trình tự hệ gen này bây giờ đang được sử dụng để phát triển một vaccine phòng chống con virus gây dịch hại chết người này. Cây Nicotiana benthamiana loài thuốc lá mọc hoang tại vùng Bắc và miền Trung của Australia. Người ta giả thiết rằng cây thuốc lá này có thể đang nắm giữa chìa khóa phục vụ chống dịch bệnh và thích nghi với biến đổi khí hậu. Các nhà khoa học của QUT, cùng với các nhà khoa học của “European Horizon2020 Newcotiana Consortium”, bắt đầu thực hiện dự án nghiên cứu từ 3 năm trước đây, nhằm phát triển cây thuốc lá bản địa, có thể được sử dụng trong cái gọi là “molecular farming”, một ngành học mới cho phép người ta sử dụng cây trồng như những “biofactories” để tạo ra sản phẩm trên nền tảng protein (protein-based products). Các nhà khoa học QUT xác định  N. benthamiana, là cây có tiềm năng tạo ra khối lượng to lớn vaccine chất lượng cao và kháng thể số lượng lớn, khoảng gấp đôi so với cây bình thường. Họ đã giải trình tự genome và định hướng nghiên cứu cho các nhà sinh học, công nghệ sinh học đang thực hiện phương pháp sản sinh ra các antibodies, vaccine, và liệu pháp chũa bệnh chống lại virus COVID-19. Nhóm này cũng cho phép người ta sử dụng tài liệu chưa in ấn như vậy để thay đổi hệ gen và phát triển vaccine chống lại virus gây chết người ấy. Cây Benth hiện được khai thác trên toàn thế giới như là một nguồn tạo ra vaccine đầy tiềm năng trong chiến lược “plant biofactory” để phát triển “protein-based diagnostic products and vaccines” vừa nhiều, vừa rẻ. Thông tin kết quả giải trình tự hệ gen cây benth rất kịp thời. Nhà khoa học rất lạc quan tìm kiếm mức độ thông tin cập nhật này để hiểu rõ biofactories cũng như chống lại COVID-19. Mọi nỗ lực ấy đáp ứng được yêu cầu của xã hội hôm nay và ngày mai. Đằng sau COVID -19, các nhà khoa học sẽ luôn luôn cần đến phản ứng ngay lập tức của chủng virus nòi mới (strains) xảy ra trong tương lai.

Xem Queensland University of Technology

Tiến sĩ Peter Waterhouse trưởng nhóm nghiêm cứu. Photo Source: Queensland University of Technology.