Phân tích hệ gen qui mô rộng đối với các gen thuộc họ PR, kháng bọ phấn trắng

Nguồn: Irigoyen ML, Garceau DC, Bohorquez-Chaux A, Lopez-Lavalle LAB, Perez-Fons L, Fraser PD, Walling LL. 2020. Genome-wide analyses of cassava Pathogenesis-related (PR) gene families reveal core transcriptome responses to whitefly infestation, salicylic acid and jasmonic acid. BMC Genomics. 2020 Jan 29; 21(1):93. doi: 10.1186/s12864-019-6443-1.

Bọ phấn trắng hay ruồi trắng (whiteflies) là một hiểm họa khôn lường đối với sản xuất sắn (Manihot esculenta), loài lương thực quan trọng của vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới. Hiểu biết về cơ chế phân tử điều tiết gen kháng của cây sắn đối với bọ phấn trắng này là vô cùng cấp thiết trong xây dựng chiến lược cải tiến giống kháng. Họ protein có thuật ngữ chuyên môn là PR (pathogenesis-related protein families) góp phần quan trọng giúp cây tự vệ với côn trùng này. Với tiềm năng của trình tự DNA thuộc toàn bộ hệ gen, việc chú thích di truyền (annotation) và chương trình nghiên cứu sự thể hiện gen của toàn bộ thành viên thuộc họ PR hiện nay có thể được hoàn thiện khá tốt. người ta hiểu biết rất ít về phản ứng của toàn bộ thành việc thuộc họ PR trong quá trình cây bị stress sinh học và các kích thích tố liên quan đến phòng vệ cây trồng, salicylic acid (SA) và jasmonic acid (JA). Công trình khoa học này pah6n tích phản ứng của các gen PR của cây sắn đối với bọ phấn trắng, SA, JA, và những aggressors có tính chất sinh học. Hệ gen cây sắn có tất cả 14 thành viên trong 17 thành viên thuộc họ PR, tổng cộng bao gồm 447 gen PR. Một gen PR của cây sắn  đã được định danh rồi. Gia hệ của những protein  PR trong hệ gen cây sắn cũng được phân tích và được xếp giá trị đồng dạng (homologs) với loài cây poplar, lúa, Arabidopsis. Các chương trình tạm thời về sự thể hiện gen PR khi cây phản ứng với bọ phấn trắng (Aleurotrachelus socialis) của 4 giống sắn nhiễm whitefly cho thấy rằng: 167 gen trong số  447 gen PR nói trên đã được điều tiết sau khi có sự tấn công của bọ phấn trắng. trong khi sự thể hiện gen PR cần thời gian rất biến động, thì có hơn 37% gen PR điều tiết với whitefly theo kiểu down trong tất cả 4 giống sắn nói trên. Đáng chú ý là, các gen PR phản ứng với whitefly đồng hoạt động điều tiết bởi SA và JA. Phân tích thể hiện gen PR của cây sắn phản ứng với 5 stress sinh học khác cho thất có sự tương quan chặt chẽ giữa whitefly và vi khuẩn Xanthomonas axonopodis. Virus gây bệnh Cassava Brown Streak, và có tương quan nghịch giữa phản ứng whitefly và virus gây bệnh khảm lá sắn (Cassava Mosaic Virus). Sau cùng, sự phối hợp giữa gen PR trong quá trình phát triển cây sắn  và phản ứng với stress sinh học đã được quan sát cặn kẽ trong họ  PR. Kết luận: Nghiên cứu này phản ánh lần đầu tiên tính chất genome-wide của các gen PR trong cây sắn. Phản ứng của gen PR đối với 6 loài dịch hại và đối với kích hoạt của SA, JA được minh chứng đầy đủ mang tính chất khác biệt của angiosperms. Người ta đề nghị rằng nên tiếp cận với phương pháp này cho các loài cây trồng khác nữa để hiểu biết đầy đủ hơn về họ gen PR và cách thức điều tiết của chúng bởi sự xâm nhiễm của pathogens, sâu hại và những hormones có tính chất tự vệ như SA và JA.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6990599/

Gen độc tố tal của vi khuẩn Xanthomonas citri pv. malvacearum chủng nòi Xss-V₂-18 trên cây bông vải

Nguồn: Haq F, Xie S, Huang K, Shah SMA, Ma W, Cai L, Xu X, Xu Z, Wang S, Zou L, Zhu B, Chen G. 2020. Identification of a virulence tal gene in the cotton pathogen, Xanthomonas citri pv. malvacearum strain Xss-V₂-18. BMC Microbiol. 2020 Apr 15; 20(1):91. doi: 10.1186/s12866-020-01783-x.

Bệnh cháy lá bông vải do vi khuẩn (BBC: bacterial blight of cotton), do Xanthomonas citri pv. malvacearum (Xcm) gây ra, là đối tượng gây bệnh hại quan trọng cho sản xuất bông vải. Protein TALEs (transcription activator-like effectors), được mã hóa bởi các gen tal, có vai trò quan trọng trong phát sinh bệnh của vi khuẩn. Chủng nòi đã được định tính cẩn thận (strains) của vi khuẩn ký sinh trên cây bông là Xcm mang 8-12 gen tal khác nhau. Chí có một gen có mật mã di truyền có chức năng được biết rõ. Phận lập theo chiều sâu hơn những gen tal mới này trong chủng nòi vi khuẩn Xcm mà độc tố của chúng là tiền đề cho mối quan hệ tương tác giữa cây bông và vi khuẩn Xcm. Người ta phân lập được 6 gen  tal trong chủng nòi Xss-V₂-18, một chủng nòi độc tính rất cao của Xcm tại ruộng bông vải Trung Quốc. Người ta đánh giá thông qua kỹ thuật triệu chứng bệnh BBC. Kết quả lai RFLP-based Southern cho thấy rằng Xss-V₂-18 mang 6 gen tal trong một plasmid vector. Các gen tal mã hóa trong plasmid vector ấy đã được phân lập nhờ kỹ thuật dòng hóa bởi enzyme BamHI phân cắt những đoạn phân tử; rồi tiến hành sàng lọc di truyền bằng phương pháp lai DNA (colony hybridization). Các gen tal được giải trình tự bằng cách chèn vào một phân tử Tn5 transposon trong DNA mã hóa CRR (central repeat region) của từng gen tal. Mối tương quan có tính chất tiến hóa của Xcm TALome trên cơ sở kỹ thuật TALEs CRR cho thấy có sự chậm trễ của chủng nòi Xss-V₂-18 đối với giống bông MSCT1 và MS14003 của Hoa Kỳ. Tuy nhiên, Tal2 thuộc chủng nòi Xss-V₂-18 rất khác ở tại 2 gốc phân tử  có tên là RVDs (repeat variable diresidues) thuộc gen Tal6 và Tal26 của giống bông MSCT1 và MS14003, theo thứ tự, gắn với thể hiện khác nhau về chức năng. Vector có tính chất tự sát pKMS1 được sử dụng để tạo ra đột biến tal deletion trong chủng nòi Xcm Xss-V₂-18. Các thể đột biến ấy được đánh giá cẩn thận về tính phát sinh bệnh (pathogenicity) của bông vải trên cơ sở biểu hiện có tính chất symptomology và tăng trưởng thực vật. Bốn thể đột biến cho thấy tiết giảm được độc tố và tất cả có trong đột biến của tal2. Một thể đột biến tal2 được ký hiệu là M2 được nghiên cứu sâu hơn. Khi gen tal2 đưa vào chủng nòi Xcm M2 rối cho thể hiện ở dạng trans, thể đột biến này được bổ sung cả triệu chứng biểu hiện và tăng trưởng thực vật. Như vậy, chức năng của  tal2 chính là yếu tốt gây độc của chủng nòi vi khuẩn Xcm Xss-V₂-18. Kết luận: Tal2 là yếu tố phát sinh bệnh chủ yếu của chủng nòi Xcm cụ thể là Xss-V₂-18. Chúng đóng góp đáng kể trong triệu chứng bệnh BBC. Đây là nền tảng cho những nổ lực nghiên cứu tương lai để xác định các gen nhiễm bệnh của cây bông vải, được đánh dấu Tal2.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7160923/

Chạy trình tự toàn bộ hệ gen (BSA-Seq) để xác định gen lặn pi-21 kháng bệnh đạo ôn

Nguồn: Liang T, Chi W, Huang L, Qu M, Zhang S, Chen ZQ, Chen ZJ, Tian D, Gui Y, Chen X, Wang Z, Tang W, Chen S. 2020. Bulked Segregant Analysis Coupled with Whole-Genome Sequencing (BSA-Seq) Mapping Identifies a Novel pi21 Haplotype Conferring Basal Resistance to Rice Blast Disease. Int J Mol Sci. 2020 Mar 21; 21 (6). pii: E2162. doi: 10.3390/ijms21062162.

Tính kháng bệnh đạo ôn căn bản hay từng phần đã được người ta xem xét dưới góc độ nòi không chuyên tính (race-non-specific) và phổ kháng rộng (broad-spectrum). Do đó, việc xác định các gen đích hay QTL liên quan đến tính kháng cơ bản (basal resistance) và ngân hàng vật liệu bố mẹ (germplasm) phải được bao hàm đầy đủ để tạo ra giống kháng bệnh đạo ôn bền vững. Người ta tiên hành phân tích BSA (bulked segregant analysis) song hành với kỹ thuật BSA-seq (whole-genome sequencing) nhằm xác định những QTLs điều khiển tính kháng bệnh đạo ôn trong quần thể con lai F₂ của 02428 x LiXinGeng (LXG), bố mẹ có phản ứng rất khác nhau về tính kháng (basal resistance). Bốn QTLs ứng cử viên, qBBR-4, qBBR-7, qBBR-8, và qBBR-11, được định vị trên bản đồ di truyền, trên nhiễm sắc thể 4, 7, 8, và 11, theo thứ tự. Phân tích sự kết hợp mang tính chất alen và kiểu gen khẳng định haplotype mới của gen kháng bền vững (durable resistance) ký hiệu là pi21 mang phân tử mất đoạn có tính chất “double” của đoạn phân tử 30 bp và 33 bp trong giống lúa 02428 (pi21-2428) – đây là gen ứng cử viên của qBBR-4. Người ta tiến hành đánh giá những haplotypes của gen trội Pi21 trong 325 mẫu giống lúa của ngân hàng gen. Người ta xác định được 11 haplotypes trong các mẫu giống này, trong số đó, có 8 haplotypes là kiểu mới hoàn toàn. Gen kháng pi21 chỉ được tìm thấy trong mẫu giống lúa japonica trước đây, ba giống lúa indica của Trung Quốc, giống ShuHui881, Yong4, và ZhengDa4Hao, đã được phát hiện có mang gen kháng bệnh pi21-2428. Alen pi21-2428 và alen pi21-2428 đều thể hiện trong tập đoàn giống này, do đó, chúng cung cấp một nguồn vật liệu đáng giá phục vụ chương trình cải tiến giống lúa, đặc biệt lúa indica, với tính kháng bền vững bệnh đạo ôn. Kết quả này là nền móng cho việc xác định cũng như định tính chức năng của 3 QTL còn lại để hiểu biết tốt hơn về cơ chế phân tử của di truyền tính kháng bệnh đạo ôn.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7139700/

Phân tích di truyền giống lúa chịu khô hạn

Nguồn: T Komori, Y Sun, M Kashihara, N Uekawa, N Kato, S Usami, N Ishikawa, Y Hiei, K Kobayashi, R Kum, E Bortiri, K White, P Oeller, N Takemori, NJ Bate & T Komari. 2020.  High-throughput phenotypic screening of random genomic fragments in transgenic rice identified novel drought tolerance genes. Theoretical and Applied Genetics April 2020; 133:1291–1301

Gen chống chịu khô hạn mới đã được xác định bởi thanh lọc hàng nghìn phân tử ngẫu nhiên trong hệ gencây lúa transgenic. Xác định các gen hữu ích cho những tính trạng nông học mong muốn là bước đi rất quan trọng của cải tiến giống cây trồng thông qua công nghệ sinh học. Nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được vận dụng trong phân lập các gen mới, đó là sàng lọc di truyền trên nền tảng được biết rồi đề khám phá gen đích, ví dụ như cho thể hiện mạnh mẽ gen của thư viện các dòng vô tính  cDNA. Trong nghiên cứu này, người ta sử dụng các đoạn phân tử ngẫu nhiên (random genomic fragments) của cây; chúng được đưa vào hệ gen cây lúa, tiến hành sàng lọc tính chống chịu khô hạn theo kỹ thuật hiệu quả cao (high-throughput manner). Mục đích là tìm ra các nguyên tố mới về di truyền không có tính chất bị hạn chế  đối với trình tự mang mật mã gen. Muốn làm rõ khả năng của cách tiếp cận này, người ta phải có các thư viện mang tính chất genome (genomic libraries) của 4 loài cây Hòa Thảo, rồi thanh lọc tổng cộng 50.825 dòng lúa transgenic đối với chống chịu khô hạn. Người ta xác định được 12 đoạn phân tử có hiệu quả tốt. Hai trong số 12 đoạn phân tử ấy, có từ hệ gen ty thể bộ (mitochondrial genome) của loài hòa thảo signal grass và 10 lấy từ hệ gen của nhân (nuclear genome) của loài hòa thảo buffalo grass. Kết quả giải trình tự “subsequent sequencing” và kết quả phân tích di truyền cho thấy rằng: 10 đoạn phân tử của buffalo grass mang một yếu tố di truyền giống nhau, mà không có tương đồng ý nghĩa nào hết so với các gen đã được công bố trước đây. Trình tự amino acid của protein rất giàu amino acid có gốc “C-terminal half”, và hai trình tự giàu  gốc glutamic acid của C-terminal half. Chúng có vai trò quan trọng trong chống chịu khô hạn. Kết quả minh chứng rằng việc tiếp cận với phương pháp “open-ended screening” thông qua các đoạn phân tử ngẫu nhiên này có thể giúp người ta khám phá ra gen điều khiển tính trạng mong muốn trên cơ sở các chu trình hoặc các hình thức thể hiện mạnh mẽ trình tự mang mật mã di truyền.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03548-6

Tiến hóa và đa dạng của các chủng nòi vi khuẩn Xanthomonas trên nhóm cây có múi

Nguồn: Bansal K, Kumar S, Patil PB. 2020. Phylogenomic Insights into Diversity and Evolution of Non-pathogenic Xanthomonas Strains Associated with Citrus. mSphere. 2020 Apr 15;5(2). pii: e00087-20. doi: 10.1128/mSphere.00087-20.

Các loài của chi Xanthomonas xếp theo từng nhóm những tác nhân gây bệnh cho cây (phyto pathogens). Nghiên cứu ở mức độ phân tử gần đây cho thấy sự hiện hữu của các loài vi khuẩn mới đầu tiềm năng  và các chủng nòi (strains) của vi khuẩn Xanthomonas theo sau đó là hiện tượng kiểu sống không ký sinh gây bệnh (nonpathogenic lifestyle). Các tác giả của công trình khoa học này đã công bố trên tạp chí mSphere về trình tự toàn hệ gen của bốn chủng nòi có tính chất nonpathogenic trong nhóm cây có múi (NPXc). Phân loại genome học (taxonogenomics) cho thấy sự đa dạng thật đáng kinh ngạc, vì mỗi một vi khuẩn trong 3 mẫu phân lập  (isolates) có thể là loài mới phát sinh, mà cộng hết lại hình thành nên một cộng đồng có tên chuyên môn là NPXc complex (citrus-associated non pathogenic Xanthomonas species complex). Interestingly, this NPXc complex is related to another nonpathogenic species, Xanthomonas sontii, from rice (NPXr). Mặt khác, mẫu phân lập thứ tư NPXc có liên quan đến các mẫu phân lập không gây bệnh của cây hạt dẽ walnut (NPXw); chúng hình thành nên cây phân loại bên cạnh loài vi khuẩn gây bệnh potential taxonomic Xanthomonas arboricola. Nghiên cứu hệ gen có những clusters di truyền phát sinh bệnh được định tính rõ ràng trong những mẫu phân lập NPXc cho thấy gen quy định lifestyle đặc biệt của chúng hết sức năng động. Thoạt tiên, các gen cần thiết cho độc tính (i.e., type 1 secretion system [T1SS], T2SS và effectors của nó, T3SS và effectors của nó, T4SS, T6SS, adhesins, và cluster của gen rpf ); sự thích ứng (i.e., gum, iron uptake và sử dụng, xanthomonadin, và hai hệ thống thành phần) được người ta mô tả bằng phương pháp comparative genomics của tập đoàn vi khuẩn Xanthomonas với những lifestyles vô cùng đa dạng. Nhìn chung, phân tích này nói đến các mẫu phân lập vi khuẩn có tính chất nonpathogenic của rất nhiều cây ký chủ khác nhau. Chúng đang tiến hóa song sóng với vi khuẩn gây bệnh có quan hệ họ hàng với chúng. Như vậy, người ta cần hiểu rõ thế giối của vi khuẩn không gây bệnh trên những cây chủ có giá trị kinh tế cao và vô cùng đa dạng ấy. Hiểu rõ hệ gen và nguồn tài nguyên di truyền các chủng nòi không gây bệnh là là kết quả nghiên cứu cơ bản và ứng dụng vô giá của chi Xanthomonas citri một trong loài vi khuẩn hàng đầu gây bệnh cho cây trồng, đặc biệt là bệnh ghẻ trên trái (citrus canker). Đáng ngạc nhiên là Xanthomonas được ghi nhận có liên quan đến cây có múi khỏe mạnh. Kỹ nguyên OMICS cho phép chúng ta thực hiện các nghiên cứu mang tính chất tiến hóa khá chi tiết về cộng đồng của vi khuẩn Xanthomonas trên cây có múi và nhiều loài cây trồng khác. Nghiên cứu trên cơ sở hệ gen như vậy giải thích được những điều bí ẩn về tính đa dạng của chủng nòi Xanthomonas không gây bệnh từ cây có múi. Khai thác được Xanthomonas thế giới từ cây có múi khỏe mạnh, đồng tiến hóa thành một phức species với cây ký chủ, không giống như biến thể của loài gây bệnh.

Xem https://msphere.asm.org/content/5/2/e00087-20