Tuần tin khoa học 682 (20-26/04/2020)

Chọn giống đậu nành cải tiến hàm lượng carbohydrate bằng chỉ thị phân tử

Nguồn: Katherine B. Hagely, Hyun Jo, Jeong-Hwa Kim, Karen A. Hudson & Kristin Bilyeu. 2020.  Molecular-assisted breeding for improved carbohydrate profiles in soybean seed. Theoretical and Applied Genetics April 2020; vol.133: 1189–1200

Hai alen độc lập, biến thể, mã hóa men raffinose synthase 3 (ký hiệu RS3 ) cho ra một kiểu hình giống nhau và xác định đây là gen đóng vai trò “contributor” chủ lực trong hạt đậu nành giàu carbohydrate. Đậu nành là cây trồng quan trọng vì hạt đậu nành chế biến là sản phẩm dầu thực vật và thức ăn giàu protein điển hình trong công nghiệp chăn nuôi. Raffinose và stachyose được tổng hợp từ nguyên liệu đậu nành. Họ protein raffinose thuộc “oligosaccharides (RFO) carbohydrate” có trong hạt đậu nành. Chúng được tổng hợp nên trong khi hạt phát triển từ vật liệu đường sucrose và galactinol. Sucrose được xem như nguồn năng lượng biến dưỡng vô cùng tăng hoạt, trong khi RFO là những yếu tố có tính chất phản dinh dưỡng (anti-nutritional) trong thức ăn cho động vật thuộc nhóm monogastric ví dụ như người, gia cầm, lợn. Muốn làm tăng năng lượng biến dưỡng ấy trong bánh dầu đậu nành, nghiên cứu trước đây đã rất thành công trong việc phát triển những alen biến thể (variant alleles) có vai trò như những gen chủ lực mã hóa raffinose synthase (RS) dẫn đến làm giảm hoặc hầu như loại bỏ hẳn RFO trong hạt đậu nành, với sự gia tăng hàm lượng sucrose đáng kể trong hạt. Mục tiêu nghiên cứu nhằm xác định vai trò đặc biệt của những biến thể (variants) của gen RS3 trong hệ gen cây đậu nành và cải tiến hàm lượng carbohydrate bằng chỉ thị phân tử đối với kiểu hình RFO cực ký thấp (UL: ultra-low) trong hạt đậu nành. Kết quả cho thấy có một variant của gen RS3 (rs3 snp5, rs3 snp6) đóng góp vào sự thể hiện của kiểu hình UL RFO, trong khí đó, alen đột biến của RS2 vẫn tồn tại. Biến thể của alen RS3 được phân lập chiếm tỷ lệ 15% của một mẫu nhỏ giống đậu nành được phát triển ở Bắc Mỹ. Alen có tính chất “missense” của gen RS3  (rs3 G75E) còn cho ra kiểu hình UL RFO khi nó kết hợp với các alen đột biến của RS2. Đây là minh chứng cho hiệu quả của chọn lọc trực tiếp giống đậu nành bằng chỉ thị phân tử để cải tiến tính trạng bánh dầu đậu nành đạt giá trị dinh dưỡng đáp ứng với năng lượng biến dưỡng tối ưu cho công nghiệp chăn nuôi.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03541-z

Giống lúa japonica kháng rầy nâu nhờ giải trình tự thế hệ mới (NGS) và giải trình tự phân tử đơn (SMRT)

Nguồn: Zhang J, Guan W, Huang C, Hu Y, Chen Y, Guo J, Zhou C, Chen R, Du B, Zhu L, Huanhan D, He G. 2019. Combining next-generation sequencing and single-molecule sequencing to explore brown plant hopper responses to contrasting genotypes of japonica rice. BMC Genomics. 2019 Aug 29; 20(1):682. doi: 10.1186/s12864-019-6049-7.

Rầy nâu (BPH), Nilaparvata lugens, là một trong những dịch hại lớn nhất của cây lúa (Oryza sativa). Cây tự vệ chống lại côn trùng “herbivores” đã và đang được nghiên cứu rất sâu, nhưng hiểu biết của chúng ta về phản ứng ngược lại của rầy nâu đối với cơ chế tính kháng của cây chủ, thì còn phải đầu tư nghiên cứu nhiều hơn. Mục tiêu nghiên cứu nhằm định tính phân tử transcripts của rầy nâu (BPH); từ đó ghi nhận diễn biến phản ứng của BPH đối với cây lúa kháng rầy ở mức độ phiên mã, thông qua phương pháp sử dụng phân tử kỹ thuật cao, NGS (next-generation sequencing) và SMRT (single-molecule, real-time sequencing). Nghiên cứu này đã ghi nhận được 24.891 phân tử isoforms bị đứt gãy từ những phân tử transcripts có đầy đủ chiều dài, và 20.662 đã được lập bản đồ để biết rõ các gen (annotated genes), bao gồm 17.175 phân tử transcripts mới. Nghiện cứu đã xác định được 915 gen ở trạng thái fusion (dung hợp với nhau lại), 1794 gen mới, 2435 phân tử RNA dài không có chức năng mã hóa lncRNAs (long non-coding RNAs), và 20.356 cây sự kiện có biểu hiện “alternative splicing”. Bên cạnh đó, phân tích DEGs (differentially expressed genes; gen thể hiện khác biệt nhau) cho thấy các gen có trong tiến trình biến dưỡng nhiều lên rất đáng kể thuộc nhóm điều tiết theo kiểu UP và trong tiến trình phân bào điều tiết theo kiểu DOWN. Kết quả quan sát trong nghiệm thức cho rầy nâu ăn cây lúa nhiễm rầy (wild type). Thêm vào đó, chu trình truyền tín hiệu FoxO có trong đó và các gen liên quan đến phản ứng đói của BPH (Nlbmm), tự lập trình chết (apoptosis và autophagy) (là gen caspase 8, ATG13, BNIP3 và IAP), giảm gốc ô xi tự do (catalase, MSR, ferritin) và giải độc (GST, CarE) đều là gen điều tiết theo kiểu UP khi rầy nâu phản ứngvới giống kháng  Kết luận: Đây là kết quả nghiên cứu lần đầu tiên minh chứng được tính đa dạng và tính phức hợp đầy đủ của hệ thống transcriptome rầy nâu. Nó chỉ ra rằng phản ứng của BPH với tính kháng của giống lúa, có thể liên quan đến phản ứng stress vì đói, sự chuyển dạng dinh dưỡng (nutrient transformation), sự suy thoái ô xi hóa, và sự giải độc. Kết quả này sẽ cho phép chúng ta khai thác sâu hơn về cơ chế phân tử gắn với tương tác giữa BPH và cây lúa. Xem:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6716848/pdf/12864_2019_Article_6049.pdf

Hình 5: Làm rõ và chú thích cẩn thận chức năng của những fusion genes trong rầy nâu N. lugens. (a) Làm rõ những fusion genes bằng điện di trên agarose gel, với cấu trúc của gen bên trái (tương ứng với các loci trong cấu trúc). Hộp màu xanh dương và vạch thẳng đứng biểu thị các exons, trong khi introns được biểu thị bằng vạch đen ngang. Từ trái sang phải và chiều ngược lại là phân tử transcript định vị trên chuỗi positive và negative, theo thứ tự. Băng điện di ở hình phải cho thấy sản phẩm PCR và DNA marker. Chiều dài của mỗi phân tử fusion transcript được hiển thị sau mỗi ID của nó. (b), Xếp nhóm GO của những chú thích về fusion genes (gene annotation).

Nguồn gen chống chịu mặn từ lúa hoang dại (Tổng quan)

Nguồn: Solis CA, Yong MT, Vinarao R, Jena K, Holford P, Shabala L, Zhou M, Shabala S, Chen ZH. 2020. Back to the Wild: On a Quest for Donors Toward Salinity Tolerant Rice. Front Plant Sci. 2020 Mar 20; 11:323. doi: 10.3389/fpls.2020.00323. eCollection 2020.

Stress mặn ảnh hưởng đến sản xuất lương thực trên toàn thế giới vì làm hạn chế tăng trưởng và làm giảm năng suất nghiêm trọng. Người ta cố gắng cải tiến giống lúa chịu mặn nhưng thành công rất hạn chế bởi vì tính chất phức tạp của tính trạng chống chịu mặn của cây lúa, biến thiến rất cao về phản ứng của stress và thiếu nguồn vật liệu bố mẹ có những gen ứng cử viên đáng giá cho giống lúa trồng. Người ta tìm ra được những donors cho các gen và tính trạng chống chịu mặn tương thích – điều mà người ta xem như thắt cổ chai chính yếu trong chọn tạo giống lúa cao sản chịu mặn. Hai mươi hai loài lúa hoang Oryza đã được định danh và xác định như nguồn tài nguyên di truyền quan trọng cho tính trạng di truyền số lượng như tính kháng/chống chịu với stress sinh học, stress phi sinh học. Theo bài tổng quan này, người ta thảo luận nhiều về thách thức cũng như cơ hội của phương pháp tiếp cận với phân tích tiến hóa, lĩnh vực sinh môi học, di truyền học và sinh lý học của loài lúa thuộc chi Oryza . Người ta thảo luận về chiến lược chọn giống lúa có khả năng loại thải tốt hơn ion Na⁺ vào cuối thập niên này để cải tiến sâu hơn tính trạng chống chịu mặn. Đây được gọi là  “paradigm shift” (sự chuyển động mẫu mực) trong cải tiến giống lúa và nổ lực nhiều hơn trong nghiên cứu về cơ chế chủ đích về chống chịu ở mô tế bào và cách sử dụng tốt hơn về  tiềm năng của lúa hoang, mà ở đó, các tính trạng như vậy đã tồn tại hàng bao nhiêu năm rồi. người ta tóm lược những khác biệt của sự thích ứng với stress mặn giữa các giống lúa trồng và các loài lúa hoang; người ta xác định những tính trạng có liên quan chủ yếu để phục vu chương trình cải tiến giống lúa tương lai. Đó là: (1) bắt giữ có hiệu quả ion Na⁺ trong không bào của tế bào diệp nhục (mesophyll cell vacuoles), với sự nhấn mạnh là phải kiểm soát được “tonoplast leak channels”; (2) kiểm soát có hiệu quả hơn sự vận chuyển các ion trong mô libe; (3) duy trì có hiệu qủa ion  K⁺ trong dịch bào, của cả hệ thống rễ lúa và tế bào diệp lục trên lá; và (4) kết hợp bắt giữ Na⁺ trong trichrome. Người ta kết luận rằng trong các loài lúa hoang, O. rufipogon là nguồn vật liệu tốt nhất cho đến bây giờ, các gen và các tính trạng của lúa hoang O. coarctata, O. latifolia, và O. alta, nên được đặt thành trọng tâm trong chương trình nghiên cứu di truyền tương lai để phát triển thành công giống lúa trồng chịu mặn.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7098918/

Quan hệ di truyền huyết thống giữa các loài lúa hoang. Cây gia hệ Neighbor joining của Ge et al. (1999); Lu et al. (2009), và Ammiraju et al. (2010).

Nghiên cứu hệ gen cây thủy sinh Nymphaea thermarum

Cây Nymphaea thermarum.

Nguồn: Rebecca A. Povilus, Jeffrey M. DaCosta, Christopher Grassa, Prasad R. V. Satyaki, Morgan Moeglein, Johan Jaenisch, Zhenxiang Xi, Sarah Mathews, Mary Gehring, Charles C. Davis, and William E. Friedman. 2020. Water lily (Nymphaea thermarum) genome reveals variable genomic signatures of ancient vascular cambium losses. PNAS April 14, 2020 117 (15) 8649-8656

Trong khoảng 225 triệu năm, tất cả loài thực vật có hạt là loài cây cho gỗ, loài cây dạng bụi trên thảo nguyên (shrubs), hoặc cây có cấu trúc dây leo (vines). Ngắn hơn là cây có hoa như cây thủy sinh thuộc họ sen súng vào khoảng 140 năm, cây Nymphaeales ( tiếng Anh là water lilies) – cây cho hạt là một trong những loài thực vật đầu tiên trở thành thực vật “herbaceous” vì mất đi quần thể tế bào sinh mô (meristematic cell) như tầng “vascular cambium”. Người ta tiến hành giải trình tự và tổng hợp nên bản phác thảo đầu tiên của genome cây water lily (Nymphaea thermarum). Sau đó, người ta so sánh nó với các genome tham chiếu của loài cây khác còn duy trì hoặc mất đi tầng vascular cambium. Tầng vascular cambium là mô tăng trưởng chủ lực của thân cây và rễ cây, đặc biệt là thực vật hai lá mầm, thực vật hạt trần [gymnosperms] như cây thông, cũng như các loài TV có mạch khác. Nó sản sinh ra mạch gỗ thứ cấp, hướng vào lõi cây (pith), và mạch libe bao bọc bên ngoài, hướng về võ cây. Sử dụng cả hai phương pháp GWAS và phân tích gen ứng cử viên, người ta tìm thấy rằng: các thành phần đặc biệt về họ gen (lineage-specific patterns) của sự kiện mất gen và sự kiện đa dạng di truyền đều có liên quan đến sự mất đi tầng cambium. Kết quả minh chứng sự kiện đặc biệt của di truyền của việc mất đi một tính trạng mang tính chất hội tụ (convergent trait) trong một hệ thống được định tính bởi mối tương quan giữa các tính trạng gen số lượng. Nhiều gen và nhiều họ gen điều tiết sự kiện phân hóa chức năng của mô thứ cấp – cũng như điều tiết sự phân hóa của mạch gỗ và mạch libe sơ cấp, mà điều này được tạo nên bởi sinh mô đỉnh (apical meristems) and và giữ lại được gần như tất cả thực vật cho hạt. Người ta tiến hành chạy trình tự DNA và tổng hợp chúng lại thành một genome phác thảo đầu tiên (draft genome) cây water lily Nymphaea thermarum, một hệ thống mới xảy ra hiện tượng nói trên để nghiên cứu sự tiến hóa của cây trổ hoa sớm, rồi so sánh nó với genomes của loài thực vật còn mang tầng cambium và thực vật ít đi tầng cambium (e.g., thực vật đơn tử diệp và thực vật thủy sinh Nelumbo). Như vậy biến thể là do sự mất gen và đa dạng di truyền. Cây Nymphaea được định tính bởi một cách rút gọn đi của phân tử HD-ZIP III transcription factors, đặc biệt là sự mất đi REVOLUTA, ảnh hưởng đến hoạt động tầng cambium trong thực vật hạt hạt kín (angiosperms). Người ta tìm thấy cây Nymphaea và loài cây một lá mầm thuộc protein truyền tín hiệu “cambium-associated CLE” có vai trò độc đáo là thay thế chổ ở những nơi mà trình tự amino acid rất bảo thủ. Nelumbo có vai trò đa dạng di truyền chưa rõ trong các gen điều khiển tầng cambium. Ảnh hưởng đa dạng di truyền của sự mất đi mang tính chất quy tụ này cho thấy gen có tính chất đa tính trạng (pleiotropic genes), chúng có thể biểu hiện ra từng phần tính chất đa dạng rất độc đáo (unique divergence patterns), trong mối quan hệ với các sự kiện độc lập của mất đi tính trạng mục tiêu.

Xem: https://www.pnas.org/content/117/15/8649

Sàng lọc di truyền tính trạng năng suất và thành phần năng suất lúa bằng MQTL

Nguồn: Khahani B, Tavakol E, Shariati V, Fornara F. 2020. Genome wide screening and comparative genome analysis for Meta-QTLs, ortho-MQTLs and candidate genes controlling yield and yield-related traits in rice. BMC Genomics. 2020 Apr 10; 21(1):294. doi: 10.1186 / s12864-020-6702-1.

Cải tiến năng suất và thành phần cầu thành năng suất lúa là mục tiêu chủ yếu trong chương trình cải thiện giống. Phân tích Meta-QTL (MQTL) khám phá ra những QTLs ổn định nhất, không cần quan tâm đến quần thể con lai và điều kiện ngoài đồng ruộng ra sao; nó vẫn có thể thu hẹp được quãng tin cậy trên nhiễm sắc thể CI (confidence interval) trong xác định gen ứng cử viên (CG: candidate genes) và phát triển chỉ thị phân tử. Phân tích MQTL được thực hiện trên 1052 QTLs liên quan đến năng suất hạt (YLD), khối lượng hạt (GW), thời gian trổ bông (HD), chiều cao cây (PH) và số chồi thân (TN) trong 122 quần thể lúa được đánh giá trong điều kiện bình thường từ năm 1996 đến 2019. Kết quả là những QTLs này được sàng lọc còn 114 MQTLs. Giá trị CI trung bình giảm xuống gấp 3,5 lần so với CI trung bình của những QTLs nguyên gốc; trung bình đạt 4.85 cM CI theo kết quả phân tích MQTLs. Theo đó, có 27 MQTLs với ít nhất 5 QTLs nguyên gốc từ các dữ liệu nghiên cứu độc lập được xem như là những QTLs ổn định nhất, trên nhiều ruộng khảo nghiệm và trên nhiều giống lúa khác nhau. Bên cạnh đó, người ta còn khám phá ra nhiều gen ứng cử viên mới có quãng phân tử MQTLs hẹp đáng tin cậy. Sự phân bố trong hệ gen của những MQTLs ấy chỉ ra rằng đây là mật độ phân giải cao nhất ở vùng cận telomere (subtelomeric chromosomal regions). Khai thác ưu điểm của synteny và phân tích genome có tính chất so sánh, người ta xác định được 11 ortho-MQTLs ở vùng đẳng tuyến giữa cây lúa và lúa mạch và 15 ortho-MQTLs giữa cây lúa và cây bắp. Hơn nữa, so sánh kết quả MQTLs với kết quả GWAS xác định được 18 vùng trên nhiễm sắc thể có ý nghĩa trong điều khiển các tính trạng nông học mong muốn ấy. Kết luận: Đây là phân tích sáng giá làm rõ được bức tranh toàn cảnh của genome tại những loci rất ổn định liên quan đến những markers di truyền đáng tin cậy này. Những gen ứng cử viên CGs đối với năng suất hạt và các tính trạng cấu thành năng suất cũng được phân lập. Như vậy, những thông tin cuối cùng có thể sử dụng cho các loài mễ cốc kh&aa.