Tuần tin khoa học 691 (22-28/06/2020)

Động thái phát triển của loài ong có tổ chức xã hội lớn

Nguồn: Karen M. Kapheim,  Beryl M. Jones,  Hailin Pan, Cai Li,  Brock A. Harpur,  Clement F. Kent,  Amro Zayed,  Panagiotis Ioannidis, Robert M. Waterhouse, Callum Kingwell,  Eckart Stolle,  Arián Avalos, Guojie Zhang, W. Owen McMillan, and William T. Wcislo. 2020. Developmental plasticity shapes social traits and selection in a facultatively eusocial bee. PNAS June 16, 2020 117 (24) 13615-13625 - ECOLOGY

Quá trình phát triển là nguồn thông tin quan trọng của biến thiên kiểu hình, nhưng việc mở rộng quá mức những biến thiên ấy đã góp phần vào những thay đổi có tính chất tiến hóa mà người ta không thể biết được. Sử dụng kỹ thuật phân tích hệ gen tích hợp (integrative genomics) để khai thác môi tương quan giữa sư thích ứng mang tính chất phát triển và sự thích ứng mang tính chất xã hội của một loài ong, người ta có thể hiểu được cách sinh sống cả về mặt xã hội và mặt cá thể. Người ta tìm thấy những gen điều tiết khả năng ứng biến về mặt xã hội của chúng, cũng như điều tiết sự phát triển, và chọn lọc tích cực các gen ấy, chúng bị ảnh hưởng bởi chức năng của chúng trong khi phát triển. Như vậy sự ứng biến trong phát triển có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa của cộng đồng bầy đàn. Người ta thấy rằng: những biến thể di truyền (genetic variants) gắn liền với những khác biệt về tập tính xã hội, cho thấy làm thế nào mà biến thiên kiểu hình từ quá trình phát triển  trở thành vật chất di truyền mã hóa được trong hệ gen, từ đó, chúng góp phần vào những thay đổi có tính chất tiến hóa. Tính thích ứng phát triển tạo ra biến thiên kiểu hình nhưng làm thế nào tạo nên thay đổi mang tính chất tiến hóa thì không được biết rõ ràng. Kiểu hình của những cá thể trong trường hợp cộng đồng phát triển theo đẳng cấp (caste-based [eusocial] societies) đặc biệt nhạy cảm với  các tiến trình phát triển. Nguồn gốc tiến hóa của loài ong có tổ chức xã hội lớn “eusociality” có thể là nền tảng của tính chất ứng biến trong phát triển (developmental plasticity) của tổ tiên. Người ta sử dụng phương pháp tiếp cận với hệ gen tích hợp (integrative genomics) để đánh giá mối tương quan giữa sự ứng biến phát triển, tiến hóa phân tử, và tập tính xã hội của loài ong Megalopta genalis chúng biểu hiện trạng thái tập họp xã hội rất linh hoạt, do đó, cung cấp cho chúng ta một cách  nhận diện các nhân tố có thể rất quan trọng trong phát sinh tiến hóa của côn trùng eusociality. Người ta tìm thấy sự khác biệt trong tập tính xã hội, xuất phát từ những gen, chúng điều tiết sự phân hóa chức năng tính dục (sex differentiation) và chức năng biến thái (metamorphosis). Chọn lọc tích cực những tính trạng có tính xã hội chịu ảnh hưởng bởi chức năng của những gen nói trên trong khi phát triển. Người ta xác định được chứng cớ cho rằng sự kiện polyphenisms trong cộng đồng bầy đàn có thể trở nên mã hóa di truyền được trong hệ gen thông qua các thay đổi di truyền trong những vùng phân tử có chức năng điều tiết (regulatory regions), đặc biệt trong vị trí kết găn với phân tử TF (transcription factor binding sites). Tóm lại, kết quả này cung cấp cho chúng ta bằng chứng mà trong đó, tính thích ứng mềm dẽo trong phát triển là nền tảng cho tiến hóa mới (evolutionary novelty) và nguyên tắc chọn lọc phục vụ tiến hóa học phân tử trong cách tân của ngành: Eusociality (côn trùng có tổ chức xã hội lớn và phức tạp).

Xem https://www.pnas.org/content/117/24/13615

Hệ thống truyền tín hiệu khi cây bị stress phi sinh học

 Nguồn: Sara I. Zandalinas,  Yosef Fichman,  Amith R. Devireddy,  Soham Sengupta, Rajeev K. Azad, and Ron Mittler. 2020. Systemic signaling during abiotic stress combination in plants. PNAS June 16, 2020 117 (24) 13810-13820

Stress do ngoại cảnh bất lợi như nóng, khô hạn, mặn, đặc biệt là khi chúng kết hợp với điều kiện ánh sáng cực trọng có thể tác động rất xáyu đến kinh tế và xã hội. Kiến thức của chúng ta về ảnh hưởng của những stress như vậy cho từng đối tượng cây trồng khá rộng; nhưng chúng ta biết rất ít về cơ chế làm thế nào cây thích ứng được loại hình stress theo kiểu kết hợp nhiều thứ như vậy. Ở đây, các tác giả của công trình khoa học này cho rằng: cây có khả năng tích hợp nhiều hệ thống truyền tín hiệu khác nhau ở mức độ tại chổ hay mức độ hệ thống. Người ta chứng minh rằng phần đặc biệt của cây là mức độ nhạy cảm với stress khi xảy ra hai loại hình  sẽ tạo ra khác biệt đáng kể là cây sẽ phải thích ứng như thế nào cho nhanh và hiệu quả. Kết quả này là điểm sáng để giải thích câu hỏi ấy. Điều kiện ngoại cảnh cực đoan, như nóng, mặn, và thiếu nước, tác động mạnh mẽ đến tăng trưởng và năng suất, gây ra sự suy sụp hoàn toàn hệ sinh thái. Tín hiệu được truyền trên cơ sở kích thích bởi stress và sự thích nghi mang tính chất hệ thống đóng vai trò cực kỳ then chốt để cây sống sót trong giai đoạn cây bị stress. Nghiên cứu gần đây cho thấy: để phản ứng lại với một stress phi sinh học đơn độc, tại một lá nào đó, cây phải cần một phản ứng có tính chất hệ thống và tính chất đặc thù của stress ấy. Nó bao gồm sự thích ứng với điều kiện khí hậu cực đoan với nhiều phân tử TF chuyên biệt cho stress chuyên biệt cộng thêm các chất biến dưỡng cần thiết, giống như phản ứng của khí khổng của toàn cây chuyên biệt cho một stress nào đó. Tuy nhiên, bản chất tự nhiên của cây thường bị khống chế bởi một phồi hợp nhiều loại hình stress cùng một lúc, mỗi thứ có một phản ứng kích hoạt riêng biệt nhau, đặt ra một câu hỏi mới cho sinh học thực vật: liệu cây trồng có khả năng tích hợp hai tín hiệu cùng một lúc hay không? Các tác giả chứng minh rằng: cây có thể tích hợp hai tính hiệu để truyền đi cùng một lúc khi stress thuộc dạng đa stress. Bản chất cây kích hoạt bởi những stress khác nhau ấy (i.e., cùng một lúc hay ở các cơ quan khác nhau trong cây) làm ra một khác biệt đáng kể nhanh hơn và hiệu quả hơn để cây kích hoạt tín hiệu ROS mang tính hệ thống (reactive oxygen species); transcriptomic, kích thích tố, và phản ứng đóng mở khí khổng; giống như thích nghi thời tiết của cây. Đây là kết quả có tính chất soi đường về kết hợp stress với sự sống của cây trên những điều kiện strss phi sinh học khác nhau xảy ra cùng một lúc. Bài viết nêu tổng quát vai trò chủ chốt của tín hiệu systemic ROS trong phản ứng với kiểu hình đa stress của cây trồng

Xem: https://www.pnas.org/content/117/24/13810

OsCpn60β1  rất cần cho phát triển lục lạp cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Qingfei Wu, Cheng Zhang, Yue Chen, Kaiyue Zhou, Yihua Zha and Dean Jiang. 2020. OsCpn60β1 is Essential for Chloroplast Development in Rice (Oryza sativa L.). Int. J. Mol. Sci. 2020, 21(11), 4023; https://doi.org/10.3390/ijms21114023; Published: 4 June 2020

Protein chaperonin 60 (Cpn60) là protein quan trọng bậc nhất của thực vật do bản chất module gấp cuộn của nhiều protein polypeptides trong lục lạp. Trong lục lạp, Cpn60 chia thành hai subunit types—Cpn60α và Cpn60β. Hệ gen cây lúa mã hóa ba α avà ba β plastid chaperonin subunits. Tuy nhiên, chức năng của họ protein Cpn60 trong cây lúa chưa được biết rõ ràng. Muốn nghiên cứu cơ chế phân tử của gen OsCpn60β1, người ta tiến hành gây đột phá  gen OsCpn60β1 bằng kỹ thuật chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR/Cas9 – tạo đột biến có chủ đích. Người ta thành công trong việc sản sinh ra dạng đột biến knockout của cặp alen đồng hợp tử OsCpn60β1. Đột biến OsCpn60β1 làm lá lúa bị bạch tạng (albino leaf) và gây chết ở giai đoạn mạ (seedling lethal). Kết quả quan sát kính hiển vi điện tử cho thấy lục lạp bị xáo trộn mạnh mẽ trong cây lúa đột biến OsCpn60β1. Hơn nữa, OsCpn60β1 định vị trong lục lạp và OsCpn60β1 về cơ bản biểu hiện tại rất nhiều mô khác nhau, đặc biệt trong mô có màu xanh lục. Kết quả nghiên cứu proteomics số lượng, không đánh dấu (label-free qualitative proteomics) cho thấy rằng các chu trình có liên quan đến quang hợp và chu trình có liên quan đến thể ri bô bị ức chế đáng kể bởi đột biến OsCpn60β1. Như vậy OsCpn60β1 là gen rất cần thiết cho phát triển lục lạp cây lúa.

Xem https://www.mdpi.com/1422-0067/21/11/4023

Lúa kháng bệnh đốm vằn

Nguồn: Kutubuddin A Molla, Subhasis Karmakar, Johiruddin Molla, Prasad Bajaj, Rajeev K Varshney, Swapan K Datta, Karabi Datta. 2020. Understanding Sheath Blight Resistance in Rice: The Road Behind and the Road Ahead. PLANT BIOTECHNOLOGY JOURNAL; 2020 Apr;18 (4):895-915.  doi: 10.1111/pbi.13312.

TỔNG QUAN 

Bệnh đốm vằn trên lúa do nấm basidiomycetous necrotroph Rhizoctonia solani, gây ra thiệt hại đáng kể cho sản xuất lúa gạo của thế giới, đặc biệt ở vùng phát triển lúa cao sản. Nấm gây bệnh trở thành một thách thức trong quản lý bệnh hại bởi vì nó có phổ ký chủ rất rộng và sự biến dị di truyền cao do không có khả năng tìm kiếm nguồn vật liệu kháng bệnh trong tự nhiên,  trong ngân hàng gen cây lúa. Người ta tìm cách chữa bệnh và chiến đấu với pathogen đang làm giảm năng suất lúa. Nếu được như vậy chúng ta sẽ làm giảm mức độ đe dọa đến an ninh lương thực toàn cầu. Phát triển nguồn gen kháng là mục tiêu quan trọng để tránh sử dụng các hóa chất là thuốc trừ nấm gây độc hại cho môi trường. Tổng quan này tập trung vào mối quan hệ giữa ký chủ và ký sinh, tìm kiếm gene loci/markers chỉ ra phản ứng kháng và cải biên hệ gen cây chủ thông qua chuyển nạp gen. Sự phát triển gần đây nhất và xu hướng chung là nghiện cứu  R. solani-rice pathosystem với phân tích theo kỹ thuật “gap analysis”.

Xem  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.13312

Đáp ứng với khô hạn của cây lúa châu Phi cải tiến

Nguồn: Daniel Makori Menge, Mana Kano‐Nakata, Akira Yamauchi, Roel Rodriguez Suralta, Daigo Makihara. 2020. Root and shoot responses of upland New Rice for Africa varieties to fluctuating soil moisture conditions as affected by different levels of nitrogen fertilization; Journal of Crop Science and Agronomy; June 2020, 206(3): 322-337

Chu trình khô hạn rồi có nước xen kẽ do canh tác lúa vùng nước trời và lúa rẩy là yếu tố gây stress chủ yếu ở vùng trồng lúa châu Phi. Tuy nhiên, đáp ứng của giống lúa cạn biến thiên theo ẩm độ đất vẫn còn là điều chưa hiểu rõ. Nghiên cứu này tập trung vào phản ứng của rễ và chồi thân của giống lúa cạn NERICA (upland New Rice for Africa) đối với khô hạn rồi cho tưới nước trở lại, giai đoạn lúa tăng trưởng. Nguòi ta xem xét rễ và chồi thân của giống lúa NERICA 1 và NERICA 4 so sánh với giống lúa IR72, giống lúa nước cải tiến, giống Dular, chống chịu khô hạn truyền thống, trên cơ sở biến thiên ẩm độ đất với các nghiệm thức bón phân N khác nhau trên đồng ruộng để quan sát rễ phát triển sâu như thế nào. Trong khi ẩm độ đất diễn biến, tất cả giống lúa thí nghiệm đều giảm khối lượng chất khô chồi thân so với nghiệm thức có tưới nước đầy đủ, trừ nghiệm thức có xử lý phân nitrogen.Tuy nhiên, chiều dài rễ tổng số của 3 giống lúa cạn đều tăng trưởng theo biến thiên của ẩm độ đất ở liều lượng phân đạm trung bình và cao, trong khi đó, giống lúa nước có xu hướng giảm. So sánh sự phát triển rễ trong giai đoạn biến thiên nước  (water fluctuations) cho thấy rằng: giống NERICA 1 có hệ thống rễ tốt hơn giống NERICA 4, mà giống này phát triển rễ ngang nhiều hơn. Người ta thấy các giống lúa NERICA đều tăng sinh khối rễ ngang (lateral) trong khi đất bị khô hạn ở nghiệm thức phân N tương xứng, trong khi đó, giống Dular và IR72giảm tốc độ tăng trưởng rễ khi bị khô hạn và tăng sau khi tưới nước trở lại (re‐watering). Cả hai thành phần tăng trưởng rễ, từ giai đoạn đẻ nhánh tối đa đến khi trổ bông. Phân tích hàm tuyến tính giữa sự kéo dài rễ lúa và sự tăng trưởng chồi thân với biến thiên ẩm độ đất cho thấy rằng: hệ thống rễ được tăng cường khi cây lúa bị khô hạn, trên nghiệm thức bón phân N tương xứng, có thể đóng góp vào tăng trưởng chồi thân khi nước được cung cấp đầy đủ, đặc biệt giai đoạn từ đẻ nhánh tích cực đến trổ bông.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jac.12390

Hiệu quả sử dụng nước của đậu nành trồng ở Brazil

Nguồn: Isabela Ramsdorf Gomes Patinni , Cristiane Alves de Andrade, Cid Naudi Silva Campos, Larissa Pereira Ribeiro Teodoro, Sinomar Moreira Andrade, Cassiano Garcia Roque, Carlos Antônio da Silva Junior, Paulo Eduardo Teodoro. 2020. Agronomic performance and water‐use efficiency of F₃ soybean populations grown under contrasting base saturation. Journal of Agronomy and Crop Science; First published:27 May 2020; https://doi.org/10.1111/jac.12413

Hầu hết đất canh tác ở Brazil, đặc biệt là Cerrado biome, đều là đất chua và độ độc nhôm là phổ biến, dẫn đến nhu cầu phải bón vôi, cộng với kỹ thuật tương ứng để trồng đậu nành có năng suất cao. Luận điểm trong nghiên cứu này là nều kiềm hóa đất sẽ làm thay đổi hiệu quả sử dụng nước WUE (water‐use efficiency) và những tính trạng nông học của quần thể đậu nành. Do vậy, người ta đánh giá WUE và kết quả những tính trạng nông học trong quần thể F₃ dưới những nghiệm thức khác nhau về “base saturation”. Mỗi thí nghiệm được thực hiện tại ruộng , bố trí kiểu khối ngẫu nhiên, 3 lần lập lại và 10 quần thể F₃  (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9 and P10) trồng liên tiếp hai mùa vụ. Quần thể con lai đang phân ly được thu thập theo phương pháp trồng dồn. Trong thí nghiệm thứ nhất, quần thể F₃ được đánh giá mà không có điều chỉnh về base saturation (V = 30%). Thí nghiệm thứ hai, có bón vôi 3 tháng trước khi gieo hạt để tăng base saturation lên đến mức 60%. Hung tính trạng nông học được đánh giá theo biến số: hàm lượng calcium, magnesium và potassium, hiệu quả sử dụng nước (WUE), chiều cao cây, chiều cao khi đóng trái đầu tiên, đường kính thân chính và năng suất hạt. Kết quả cho thấy WUE và tính trạng nông học của đậu nành quần thể F₃ tùy thuộc vào tình trạng saturation. Xác định quần thể P4 và P9 có triển vọng nhất để sử dụng cho chương trình cải tiến giống đậu nành với mục tiêu là chống chịu với stress phi sinh học bởi base saturation rất thấp trong đất chua.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/jac.12413