Tuần tin khoa học 685 (12-17/05/2020)

Bón sắt cải tiến năng suất và chất lượng đậu xanh

Nguồn: Majeed A, Minhas WA, Mehboob N, Farooq S, Hussain M, Alam S, Rizwan MS. 2020. Iron application improves yield, economic returns and grain-Fe concentration of mungbean. PLoS One. 2020 Mar 27; 15(3): e0230720. doi: 10.1371/journal.pone.0230720.

Khiếm dưỡng là mối đe dọa lớn nhất trong nông nghiệp toàn cầu. Pakistan là một trong những nước có tỷ lệ bệnh khiếm dưỡng cao. Cây họ Đậu được trồng ở Pakistan có hàm lượng chất dinh dưỡng vi lượng luôn luôn thấp; nhất là sắt (Fe) có trong hạt đậu xanh so với các nước đã phát triển. Chiến lược cải tiến dinh dưỡng bằng sinh học (biofortification), một tiến trình tích hợp dưỡng chất vào loài cây lương thực, cây thực phẩm, cung cấp cho nhân loại một con đường kinh tế và ổn định để tăng chất khoáng, chất vi lượng trong loài cây lương thực chủ lực. Đậu xanh là cây trồng cho hàm lượng protein khá cao, được sử dụng chủ yếu ở Pakistan; tuy nhiên, hàm lượng sắt thấp trong hạt đậu, không cung cấp đủ cho người tiêu dùng hàm lượng sắt cần thiết hàng ngày. Do vậy, nghiên cứu này được tiến hành để tạo nên một tác động với các hàm lượng sắt khác nhau và nâng cao năng suất hạt, hiệu quả kinh tế, nâng cao hàm lượng sắt trong hạt đậu xanh. Đậu xanh được xử lý với 4 nghiệm thức bón sắt khác nhau i.e., 0, 5, 10 và 15 kg Fe trên một ha; với 3 phương pháp bón phân: (i) bón lót (bón hết khi gieo hạt), (ii) bón thúc (bón hết vào lần tưới nước đầu tiên) và (iii) bón lót 50% tổng lượng phân + bón thúc 50% lượng phân còn lại (split application). Mức độ sắt và cách bón ảnh hưởng đáng kể đến sinh trưởng (allometry), năng suất, lợi nhuận thuần và hàm lượng sắt trong hạt đậu xanh. Bón thúc 15 kg Fe ha^-1 đạt năng suất cao nhất, hiệu quả kinh tế cao nhất và hàm lượng sắt cao nhất so với các nghiệm thức sắt còn lại trong thí nghiệm. Bón thúc 15 kg Fe ha^-1 minh chứng được ở đây là phương pháp nhanh nhất  để cải thiện hàm lượng Fe và chỉ số bioavailability (hiệu quả sinh học có thể đạt), giải quyết triệt để vấn nạn khiếm dưỡng chất sắt của người tiêu dùng chủ yếu dựa vào đậu xanh như Pakistan. Kết luận: bón thúc sắt 15 kg ha^-1 được xem là kỹ thuật khả thi làm tăng năng suất, hiệu quả kinh tế, hàm lượng sắt trong hạt và chỉ số bioavailability của đậu xanh.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7100969/

Đột biến lúa bằng ion beam tạo ra tính trạng di truyền được - giải trình tự toàn bộ hệ gen

Nguồn: Zheng Y, Li S, Huang J, Fu H, Zhou L, Furusawa Y, Shu Q. 2020. Mutagenic Effect of Three Ion Beams on Rice and Identification of Heritable Mutations by Whole Genome Sequencing. Plants (Basel). 2020 Apr 26; 9 (5). pii: E551. doi: 10.3390/plants9050551.

Kỹ thuật đột biến bằng ion beam, cao năng lượng tỏ ra vô cùng hiệu quả và độc đáo để phát sinh ra mutagen bằng vật lý trong cây trồng. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào đề cập đầy đủ ảnh hưởng mutagenic của phóng xạ từ ion beam “argon” (Ar) đối với cây lúa. Các nghiên cứu hệ gen toàn diện (genome-wide studies) đối với những đột biến được kích thích bởi ion beam như vậy vô cùng quan trọng, giúp người ta hiểu biết cặn kẽ tính chất của những quy trình dựa trên nền tảng kiến thức đồ sộ về đột biến gen áp dụng trong cải tiến giống lúa. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu xem xét ảnh hưởng đột biến gen của 3 nghiệm thức ion beams, đó là nguyên tử Ar, nguyên tử carbon (C) và nguyên tử neon (Ne) đối với lúa. Sau đó, người ta xác định và định tính những đột biến có thể di truyền bằng phương pháp chạy trình tự toàn hệ gen (whole genome sequencing) của sáu cây lúa M₄. Ảnh hưởng có hại của liều lượng chiếu xạ được quan sát trên cây M₁, cây này được phát triển từ chiếu xạ ion beam qua hạt thóc khô từ hai giống lúa indica (LH15, T23), hai giống lúa japonica (DS551, DS48). Tỷ lệ cây mạ thiếu diệp lục khá cao, và cây bất dục đực cũng như vậy trong quần thể M₂ (hơn 30% trong M₁); cây lúa từ các hạt thóc định vị khác nhau trên gié lúa của một quần thể M₁ thể hiện các kiểu hình đột biến khác nhau; kết quả whole genome-sequencing cho thấy rằng: có 236-453 đột biến trong mỗi cây M₄ (từ nguồn gốc 6 cây), bao gồm đột biến SBS (single base substitutions), đột biến InDel (small insertion/deletions), với số cây đột biến SBSs gấp 4-8 lần nhiều hơn số cây đột biến InDels; đột biến SBS và InDel phân bố trong vùng của hệ gen (genomic regions) khác nhau từ 12 nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, chỉ có một số lượng rất nhỏ đột biến (0-6) xảy ra trong vùng exon. Vùng exon có thể có một tác động nào đó về chức năng. Tóm lại, nghiên cứu này chỉ ra rằng: chiếu xạ ion beam của nguyên tử Ar, C và Ne tỏ ra vô cùng hiệu quả để kích thích đột biến cây lúa với những kiểu hình mong muốn ở mức độ phân tích genome. Kết quả này vô cùng quan trọng đế áp dụng có hiệu quả kỹ thuật chiếu xạ ion beam nhằm tạo ra những đột biến hữu ích trong cây lúa.

Xem https://www.mdpi.com/2223-7747/9/5/551

Yếu tố phiên mã NAC trong cây đậu nành điều khiển tính kháng Phytophthora sojae

Nguồn: Jahan MA, Harris B, Lowery M, Infante AM, Percifield RJ, Kovinich N. 2020. Glyceollin Transcription Factor GmMYB29A2 Regulates Soybean Resistance to Phytophthora sojae. Plant Physiol. 2020 Mar 24. pii: pp.01293.2019. doi: 10.1104/pp.19.01293. [Epub ahead of print]

Glyceollin isomers I, II, và III là 3 chất  biến dưỡng thứ cấp chính kiểm soát pathogen xâm nhiễm (i.e. phytoalexins) trong cây đậu nành (Glycine max). Chúng tích hợp với 5-deoxy isoflavonoids, tạo nên tính kháng chuyên tích đối với nòi đặc thù của nấm Phytophthora sojae. Yếu tố phiên mã thuộc họ protein NAC (TF) có tên là GmNAC42-1 là một phân tử regulator vô cùng cần thiết cho cây đậu nành nhưng không phải hoàn toàn là sản phẩm của gen mã hóa sinh tổng hợp glyceollin. Điều này cho thấy: có những phân tử TF(s) vô cùng thiết yếu khác nữa được hệ thống điều tiết gen mã hóa glyceollin cần được phân lập một cách rõ ràng. Ở đây, người ta thực hiện nghiên cứu transcriptomics có tính chất so sánh trong hệ gen cây đậu nành – ở rễ lông tơ của giống đậu nành Williams 82 (W82), hạt của giống đậu nành Harosoy 63 (H63) cho xử lý với WGE (wall glucan elicitor) từ nấm gây bệnh P. sojae. Sau đó, người ta phân lập được hai gen đồng dạng (homologous) R2R3-type MYB TF, đó là gen GmMYB29A1 và GmMYB29A2, chúng điều tiết theo kiểu UP tại thời điểm cực đỉnh của sinh tổng hợp glyceollin. Sự biểu hiện mạnh mẽ và sự im lặng của RNAi đối với GmMYB29A2 đã làm tăng và giảm mức độ thể hiện của GmNAC42-1, GmMYB29A1, và gen mã hóa sinh tổng hợp glyceollin cùng với các chất biến dưỡng (metabolites), theo thứ tự, đáp ứng với WGE. Trái lại, sự biểu hiện mạnh mẽ hoặc sự im lặng của GmMYB29A1 làm giảm tích tụ glyceollin I ở ngưỡng mấp mé hoặc không ảnh hưởng một chút nào đối với gen biểu hiện tổng hợp glyceollin. Kết quả cho thấy: có một khởi động để bật mở glyceollin và/hoặc cạnh tranh quyết liệt của chu trình sinh tổng hợp nói trên. Protein GmMYB29A2 tương tác với những phân tử promoters của 2 gen mã hóa sinh tổng hợp glyceollin in vitro và in vivo. Làm câm gen GmMYB29A2 trong giống đậu nành W82, mã hóa tính kháng từ gen Rps1k, chuyên biệt đối với nòi số 1 của nấm P. sojae, trong điều kiện ấy, có biểu hiện mạnh mẽ của gen GmMYB29A2 trong giống đậu nành nhiễm bệnh Williams. Khả năng tiếp hợp và không tiếp hợp (incompatibility) tương ứng với nội dung tích lũy giảm đi hay được tăng cường nhiều hơn của glyceollin I; nhưng không phải 5-deoxy isoflavonoids. Do đó, GmMYB29A2 rất cần cho sự tích tụ glyceollin I và biểu hiện tính kháng nấm gây bệnh Phytophthora.

Xem http://www.plantphysiol.org/content/early/2020/03/24/pp.19.01293.long

Giống cà chua giàu zeaxanthin nhờ kỹ thuật di truyền

Nguồn: Uri Karniel, Amit Koch, Dani Zamir, Joseph Hirschberg. 2020. Development of zeaxanthin‐rich tomato fruit through genetic manipulations of carotenoid biosynthesis. Plant Biotechnology Journal; First published:22 April 2020 (https://doi.org/10.1111/pbi.13387)

Chất carotenoid zeaxanthin ô xi hóa cung cấp cho người tiêu dùng nhiều tiện ích về sức khỏe do hoạt tính antioxidant của nó. Đặc biệt là nó gắn liền với nội dung bảo vệ võng mạc mắt của con người, cùng với xanthophyll lutein,  nó lọc ra ánh sáng màu xanh blue có hại; vì vậy, làm trễ tiến trình AMD (age‐related macular degeneration: thoái hóa điểm vàng khi tuổi già), nguyên nhân chính gây mù lòa ở các nước đã phát triển. Tuy zeaxanthin có giá trị dinh dưỡng cao như vậy, nhưng nó có rất ít carotenoids trong bữa ăn hàng ngày của chúng ta. Giải quyết khiếm khuyết này, người ta chọn cách phát triển thực phẩm mới có hàm lượng zeaxanthin tự nhiên rất cao. Cà chua (Solanum lycopersicum L.) được chọn làm loài cây thực phẩm đích vì đây là cây trồng thuộc nhóm rau quả đứng hàng thứ hai về diện tích trồng trọt trên thế giới; nó được định tính và định lượng carotenoids rất cao, chất lượng tốt. Người ta khai thác hai cách tiếp cận về di truyền học để tăng cường tiến trình sinh tổng hợp zeaxanthin trong trái cà chua: Kỹ thuật di truyền cải tiến chất biến dưỡng bằng chuyển nạp gen và Kỹ thuật di truyền truyền thống qua lai tạo giống mới. Dòng cà chua non‐transgenic, có tên là ‘Xantomato’, được tạo ra có hàm lượng zeaxanthin trong trái cà chua là 39 μg.g^‐1 quả tươi (hay 577 μg.g^‐1 quả sấy khô), chứa ca. 50 phần trăm carotenoids tổng số. so sánh với zero của dòng cà chua wild type. Đây là hàm lượng cao nhất chất zeaxanthin đạt hạng nhất trong cây trồng. Xantomato có thể tăng hàm lượng zeaxanthin trong mâm cơm con người và đóng vai trò như nguyên liệu công nghiệp chế biến cà chua.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/pbi.13387

Nghiên cứu hệ gen cây đậu phụng để cải tiến giống có hiệu quả chọn lọc (GA%) cao

Nguồn: Manish K. Pandey, Arun K. Pandey, Rakesh Kumar, Chogozie Victor Nwosu, Baozhu Guo, Graeme C. Wright, Ramesh S. Bhat, Xiaoping Chen, Sandip K. Bera, Mei Yuan, Huifang Jiang, Issa Faye, Thankappan Radhakrishnan, Xingjun Wang, Xuanquiang Liang, Boshou Liao, Xinyou Zhang, Rajeev K. Varshney & Weijian Zhuang. 2020. Translational genomics for achieving higher genetic gains in groundnut. Theoretical and Applied Genetics, April 23 2020.

Đậu phụng đang tiến dần vào lĩnh vực nghiên cứu hiện đại “kỷ nguyên post-genome”. Hệ gen cây đậu phụng rất giàu với nguồn tài nguyên di truyền  và hệ gen tối ưu giúp cho nhà khoa học xác định những tính trạng mong muốn khá nhanh, bên cạnh những dữ liệu về gene discovery khá tốt, tiếp cận dần với nội dung cải tiến di truyền tính trạng để phát triển giống đậu phụng thích nghi giỏi với biến đổi khí hậu (climate-smart varieties). Giống đậu phụng được trồng trọt (Arachis hypogaea), là loài cây có dầu thuộc đa bội thể (allopolyploid) có hệ gen khá lớn và khá phức tạp. Đây là loài cây trồng có giá trị dinh dưỡng rất cao. Đậu phụng được canh tác hơn 100 quốc gia, nhưng năng suất thấp là thách thức lớn nhất cho nhân loại, đặc biệt tại các vùng nông nghiệp nhiệt đới bán sa mạc  (semiarid tropics). Gần đây, cộng đồng các nhà khoa học nghiên cứu đậu phụng tiếp cận với những tiến bộ nhanh nhất, đáng tin cậy nhất, tạo nên dấu mốc lịch sử phát triển (key milestones) trong lĩnh vực genomics bao gồm kỹ thuật giải trình tự hệ gen với những dòng đậu phụng tổ tiên hoang dã (wild diploid progenitors) lưỡng bội, dòng hoang dã tứ bội (wild tetraploid) và cả những quần thể dưới loài (subspecies) của giống đậu trồng trọt tứ bội, thực hiện kỹ thuật resequencing của các vật liệu nguồn rất đa dạng di truyền, thực hiện genome-wide transcriptome atlas và các xét nghiệm đánh giá kiểu gen rẻ tiền, chất lượng cao. Nguồn tài nguyên di truyền cây đậu phụng có thể được phân tích thông qua bản đồ phân giải cao với panel là sự đa dạng nguồn vật liệu ấy, thực hiện quần thể MAGIC (multi-parent genetic populations) dẫn đến kết quả tìm gen đích chính xác hơn cũng như phát triển các chỉ thị phân tử (markers) mang tính chẩn đoán tốt. Bên cạnh đó, việc phát triển và khai thác những “diagnostic markers” như vậy đã làm thuận lợi cho việc sàng lọc di truyền những quần thể con lai ở thế hệ rất sớm cũng như hồi giao nhờ chỉ thị phân tử giúp người ta khai thác cũng như thương mại hóa giống đậu phọng cải biên ở mức độ phân tử. Các ứng dụng kỹ thuật phân tử trong chọn tạo giống đậu phụng như sàng lọc di truyền (genomic selection), chọn giống nhanh (speed breeding), đánh giá kiểu gen theo kỹ thuật “mid-density genotyping” và chỉnh sửa hệ gen đang tiến hành khá tốt. Tích hợp những công nghệ nói trên là triển vọng sáng sủa trong phát triển giống đậu phụng thông minh trước biến đổi khí nậu (climate-smart variety), năng suất cao, giá trị dinh dưỡng cao trong kỷ nguyên post-genome.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03592-2