Tuần tin khoa học 690 (15-21/06/2020)

Nguồn: Mengmeng Fu, Yanping Wang, Haixiang Ren, Weiguang Du, Deliang Wang, Rongjun Bao, Xingyong Yang, Zhongyan Tian, Lianshun Fu, Yanxi Cheng, Jiangshun Su, Bincheng Sun, Jinming Zhao & Junyi Gai. 2020.  Genetic dynamics of earlier maturity group emergence in south-to-north extension of Northeast China soybeans. Theoretical and Applied Genetics June 2020, vol. 133:1839–1857.

Nghiên cứu di truyền quần thể theo nội dung này được định tính với phương pháp so sánh trực tiếp số ngày từ khi gieo đến trổ bông được quy định bởi những hệ matrices QTL/alen –allele giữa giống đậu nành đã tiến hóa với giống đậu nành truyền thống. Mục đích là khai thác động thái tiến hóa về di truyền của đậu nành thông qua kỹ thuật RTM-GWAS. Đậu nành vùng đông bắc Trung Quốc (NEC) là nguồn giống bản địa chủ yếu để làm vật liệu bố mẹ cải tiến thành công các giống đậu nành cao sản ở châu Mỹ (chiếm > 80% tổng lượng trên toàn thế giới). NEC là vùng đậu nành tương đối khá mới ở Trung Hoa, phát triển sau sự kiện dân du mục vào thế kỷ thứ 17. Tại 9 địa điểm của bốn vùng sinh thái khác nhau (ecoregions) của NEC, người ta thu thập được 361 giống đậu nành để trắc nghiệm tính trạng ngày trổ bông (DTF), một tính trạng vô cùng nhạy cảm với địa lý (geography-sensitive trait) như một chỉ thị (indicator) để xếp nhóm đậu nành theo thời gian sinh trưởng  (MGs: maturity groups).  Tính trạng DTF giảm đáng theo giống đậu nành được trồng ở vĩ tuyến càng cao, biến thiên 41–83 ngày và nhóm đậu nành MG 000-III. Sử dụng quy trình kỹ thuật RTM-GWAS (restricted two-stage multi-locus model genome-wide association study), người ta xác định được 81 QTLs với 342 alen, chiếm 77,85% đóng góp di truyền (R² = 0.01–7.74%/locus), và QTL khác chiếm 20,75% (98.60–77.85%, h² = 98.60%) biến thiên di truyền do một collective của những QTL chưa được phân lập trên bản đồ (unmapped QTLs). Người ta khai thác nội dung chọn lọc với nhóm nguyên thủy MG I–III để tiến hóa thành nhóm MG 0-00-000. Theo kết quả so sánh trực tiếp những QTL–allele matrices trong các giống thuộc MGs, động thái di truyền được xác định với sự du nhập gen ngoại vào giống bản địa / sự di thực (58,48%) như là chọn lọc đầu tiên phản lại / sự ngăn chận (exclusion) các alen phản ứng tích cực (positive alleles) gây ra những tái tổ hợp mới (40,64%) vào lần thứ hai, trong khi, chỉ có một ít alen xuất hiện / đột biến xảy ra (0,88%, hạn chế trong MG 0, không hạn chế trong MG 00-000). Khi có sự xuất hiện MG mới, 24 QTLs với 19 gen ứng cử viên là nguồn di truyền chủ lực. Tiềm năng di truyền của tính trạng ngày trổ bông DTF rút ngắn  lại (13–21 ngày) được dự đoán trong tập đoàn giống đậu nành NEC. Phát hiện QTL trong từng vùng sinh thái ấy cho thấy có những QTL-alen/gen mang tính chất đặc thù sau khi thử nghiệm co-localization (phương pháp removing the random environment shifting ones). 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03558-4

GWAS xác định di truyền tính trạng tốc độ phát triển và thời gian xanh lá cây xà lách

Nguồn: Jinita Sthapit Kandel, Hui Peng, Ryan J. Hayes, Beiquan Mou & Ivan Simko. 2020. Genome-wide association mapping reveals loci for shelf life and developmental rate of lettuce. Theoretical and Applied Genetics June 2020; vol. 133: 1947–1966

Hai QTL chủ lực, qSL4 quy định thời gian cải còn xanh (shelf life), qDEV7 quy định tốc độ phát triển (developmental rate), được phân lập. Chỉ thị phân tử có liên quan sẽ là công cụ vô cùng hữu ích cho chọn giống cải xà lách cắt lá tươi (fresh-cut lettuce). Xà lách cắt lá tươi rất có thể có tính trạng shelf life ngắn, và biểu hiện thối héo  có thể thấy được sau một tuần thu hoạch. Năng suất sinh khối và tốc độ phát triển là nội dung quan trọng cho sản xuất rau cải xà lách. Phân tích đa dạng di truyền và GWAS (genome-wide association studies) được tiến hành với 493 mẫu giống, dữ liệu kiểu gen của 4615 chỉ thị SNP chất lượng cao. Cấu trúc quần thể (Q), và giá trị PC (principal component), kết hợp với kết quả phân tích mối quan hệ huyết thống (phylogenetic) biểu thị mối quan hệ di truyền với các kiểu xà lách (lettuce types) và sự phân bố theo địa lý. Dữ liệu về shelf life, năng suất,  tốc độ tăng trưởng, chỉ số ổn định được phân tích thống kê sinh học. Kết quả GWAS được hoàn thiện nhờ các mô phỏng tuyến tính dạng tổng thể và dạng hổn hợp (general and mixed linear models). Quan hệ di truyền giữa những cá thể cây xà lách được tạo thành mô phỏng toán học nhờ thuật toán kinship matrix, PC, và Q.  Hệ số di truyền theo nghĩa rộng (H²) theo môi trường đạt giá trị là 0,43 đối với tính trạng shelf life, 0,36 đối với năng suất, và 0,60 đối với tốc độ phát triển. Tương quan nghịch giữa năng suất và tốc độ phát triển được ghi nhận. SMTA có ý nghĩa (marker–trait association) được tìm thấy trong tính trạng shelf life trên nhiễm sắc thể số 4. QTL có ý nghĩa lớn nhất (QTL,  qSL4, P = 2.23E−17) giải thích được 24% biến thiên kiểu hình (R²). QTL chủ lực quy định tốc độ phát triển được tìm thấy trên nhiễm sắc thể 7 (qDEV7, P = 2.43E−16, R2 = 17%), Các QTLs bổ sung với ảnh hưởng nhỏ hơn được tìm thấy trên tất cả nhiễm sắc thể. Không có  SMTA nào được tìm thấy cho năng suất. Nghiên cứu này xác định các mẫu giống cải xà lách có khả năng kéo dài ổn định tính trạng shelf life, năng suất ổn định và có tốc độ phát triển như mong muốn. Chỉ thị phân tử liên kết chặt với tính trạng mục tiêu có thể được áp dụng để chọn lọc những dòng con lai mong muốn và để xác định các gen có liên nquan đến tính trạng này.

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03568-2

Bản đồ phân giải cao NGS quy định tính trạng kích thước quả dưa lưới Cucumis melo

Nguồn: Elad Oren, Galil Tzuri, Asaf Dafna, Ayala Meir, Ravindra Kumar, Nurit Katzir, Yonatan Elkind, Shiri Freilich, Arthur A. Schaffer, Yaakov Tadmor, Joseph Burger & Amit Gur. 2020. High-density NGS-based map construction and genetic dissection of fruit shape and rind netting in Cucumis melo. Theoretical and Applied Genetics June 2020; vol. 133:1927–1945

Dưa lưới là loài cây trồng quan trọng biểu thị sự biến thiên rộng đối với tính trạng hình thái của quả dưa mà tính trạng ấy là nền tảng cho bản đồ di truyền. Trong kỷ nguyên sau genomics, mối liên kết giữa bản đồ di truyền (genetic maps) và tổng hợp hệ gen mang tính chất vật lý (physical genome assemblies) là chìa khóa để hình thành bản đồ QTL dẫn đến kỹ thuật gene cloning và các mục đích chọn tạo giống khác. Ở đây, người ta sử dụng quần thể bao gồm 164 dòng cận giao tái tổ hợp (RILs) cây dưa lưới theo phương pháp GBS (genotyping-by-sequencing), người ta cấu trúc và so sánh bản đồ theo trình tự DNA có độ phân giải cao và bản đồ tái tổ hợp trên cơ sở liên kết, so sánh chuỗi trình tự DNA (aligned) với genome dưa lưới tham chiếu. Kết quả phân tích cho thấy: biến thiên trong hệ gen (genome-wide variation) ở tấn suất tái tổ hợp nhất định và vùng mục tiêu của bản chất đồng tuyến bị đột phá (disrupted collinearity) giữa hai quần thể hệ gen nghiên cứu và quần thể hệ gen tham chiếu. Đánh giá quần thể trong 3 năm liên tục về tính trạng kích cỡ trái dưa và dạng hình trái dưa cũng như hình thái lưới (rind netting). Bốn QTLs được tìm thấy quy định kích cỡ trái. Chúng hoạt động theo kiểu tác động gen có tính cộng (additive manner), trong khi đó, tương tác gen không alen rất có ý nghĩa (epistatic interaction) được tìm thấy giữa hai loci trung tính (neutral loci) đối với tính trạng ấy. Kích cỡ trái dưa biểu thị tính chất ưu thế hơn bố mẹ (transgressive segregation). Điều này giải thích  bởi hoạt động của bốn QTLs, cộng với đóng góp của những alen của bố mẹ. Tính chất phức tạp của tính trạng hình thái lưới đan trên quả được chứng minh trên tập đoàn giống dưa lưới với 177 mẫu giống khác nhau rất đa dạng. Phân tích tính trạng này trong quần thể RILs, từ một tổ hợp lai của giống trái trơn láng với giống có lưới dầy, xác định tính chất phức tạp (intricacy) của tính trạng này và sự đóng góp thêm nữa của một locus chủ lực cộng với nhiều QTLs tương tác với nó. Tính trạng này được điều khiển bởi QTL định vị trên nhiễm sắc thể 2 đồng vị trí với  kết quả  mà hai quần thể bổ sung trên đã ghi nhận, chỉ ra tiềm năng trong chọn giống – xác định gen chủ lực điều khiển tính trạng này.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03567-3

Hệ thống tự vệ của cây lúa và mễ cốc khác đối với sâu hại nhờ 4-fluorophenoxyacetic acid

Nguồn: Wanwan Wang, Pengyong Zhou, Xiaochang Mo, Lingfei Hu,  Nuo Jin, Xia Chen, Zhuoxian Yu, Jinpeng Meng,  Matthias Erb, Zhicai Shang, Angharad M. R. Gatehouse, Jun Wu, and Yonggen Lou. 2020. Induction of defense in cereals by 4-fluorophenoxyacetic acid suppresses insect pest populations and increases crop yields in the field. PNAS June 2, 2020 117 (22) 12017-12028.

Khai thác tính chất kích thích hệ thống tự vệ thực vật để quản lý sâu hại là chiến lược rất triển vọng để người ta giảm phun thuốc sâu trong nông nghiệp. Nhóm tác giả công trình nghiên cứu này đã mô tả làm thế nào tăng cường cây xanh tạo nên 4-fluorophenoxyacetic acid (4-FPA), làm gia tăng tính kháng với sâu hại trên cây lúa và cây mễ cốc khác nhất là côn trùng chích hút nhựa, nhờ kích hoạt hoạt động hình thành nên chất flavonoid polymers trong tế bào. Người ta chứng minh được rằng áp dụng 4-FPA ức chế được mật số quần thể rấy lứng trắng hại lúa. Từ đó, nó làm tăng năng suất lúa trên đồng ruộng. Nghiên cứu còn nhấn mạnh rằng có một cơ chế giúp cây khác được sâu chích hút và sâu ăn lá; mở ra con đường rộng lớn để thiết kết một thế hệ ổn định hơn của những chất làm cây cực kỳ khỏe (plant strengtheners) để kiểm soát sâu hạitrong nông nghiệp. Những elicitors tổng hợp nhân tạo, được gọi là plant strengtheners, có thể bảo vệ cây đối với côn trùng gây hại và bệnh hại. Hầu hết những plant strengtheners ấy hoạt động nhờ cải biên được chu trình truyền tín hiệu của chúng. Người ta còn biết rất ít về cơ chế này để có thể làm tăng tính kháng của cây. Tuy nhiên, bất cứ plant strengtheners nào làm tăng cường tính kháng côn trùng gây hại đều có thể làm tăng năng suất; thì chưa có gì rõ ràng cả. Ở đây, người ta xem xét cơ chế mà trong đó 4-fluorophenoxyacetic acid (4-FPA) bảo về các loài mễ cốc chống lại sâu chích hút, làm tăng năng suất lúa trên đồng ruộng. Four-FPA không kích hoạt sự truyền tín hiệu hormone, nhưng  làm ra peroxidases, H₂O₂, và flavonoids; trực tiếp kích thích sự hình thành các flavonoid polymers. Tích tụ tăng lên của chất phenolic polymers trong tế bào parenchyma cây lúa với cây được xử lý 4-FPA liên qua đến khả năng giảm đi mật số rầy lưng trắng WBPH Sogatella furcifera, rồi di chuyển đến mạch li be. Người ta chứng minh được việc áp dụng 4-PFA trên ruộng lúa, làm tăngnăng suất lúa nhờ làm giảm mật độ rầy và sự tổn hại của sâu khác. Người ta chứng minh rằng 4-FPA còn làm tăng tính kháng của những cây mễ cốc như lúa mì và lúa mạch, đặc biệt là côn trùng chích hút. Đây là kết quả đề cập đến những plant strengtheners có thể ức chế được  côn trùng herbivores và làm tăng nă ng suất. Người ta giả định rằng người ta cải biên được cơ chế tự vệ vốn có (conserved defense mechanism) của cây chống lại côn trùng chích hút (piercing-sucking insect pests), ít nhất là các loài mễ cốc.

Xem: https://www.pnas.org/content/117/22/12017

Hình 1: Four-FPA ức chết rễ tăng trưởng và làm giảm mức độ sống của ấu trùng rầy lưng trắng WBPH.