Tuần tin khoa học 702 (14-20/9/2020)

Di truyền tính chống chịu khô hạn của khoai lang

Nguồn: Mohamed Hamed Arisha, Muhammad Qadir Ahmad, Wei Tang , Ya ju Liu , Hui Yan , Meng Kou, Xin Wang, Yungang Zhang & Qiang Li. 2020. RNA‑sequencing analysis revealed genes associated drought stress responses of different durations in hexaploid sweet potato. Scientific Reports, Nature Research: (2020) 10:12573 (17 p.)

Khoai lang tím (PFSP: purple-feshed sweet potato) rất quan trọng vì nguồn dinh dưỡng cao sắc tố anthocyanin. Khô hạn là mối đe doạn lớn để có sản lượng khoai lang bền vững, làm tổn thất năng suất lớn. Do đó, nhóm tác giả này đã tiến hành phân lập những gen có liên quan đến cơ chế chống chịu khô hạn của khoai lang nhờ tiếp cận với công nghệ NGS (next generation sequencing) và TGS (third-generation sequencing). Năm thư viện cDNA được hình thành từ sắc tố lá khoai lang khi cây còn non, với 30% dung dịch polyethylene glycol (PEG-6000) được xử lý trong vòng 0, 1, 6, 12, và 48 giờ đối với công nghệ SGS (second-generation sequencing). Mẫu lá được lấy ở lá thứ ba tính từ trên xuống sau khi cây non được xử 1, 6, 12, và 48 h dưới điều kiện stress khô hạn; để làm nên bộ thư viện phân tử cDNA phục vụ chạy TGS (third-generation sequencing). Tuy nhiên, mẫu lá của nhưng cây chưa xử lý khô hạn cũng được thu thập làm đối chứng. Tổng số chạy trình tự 184.259.679 kết quả “clean reads” trong SGS và TGS. Sau đó, người ta tổng hợp kết quả đọc trình tự lại thành 17.508 unigenes với độ dài phân tử trung bình là 1.783 bp. Trong số 17.508 unigenes ấy, có 642 (3,6%) unigenes không hề khớp với bất cứ phân tử DNA đồng dạng nào (any homologs) trong những cơ sở dữ liệu trước đó. Người ta có thể xem đây là những gen mới. Tổng số có 2, 920, 1.578, và 2.418 unigenes được điều tiết theo kiểu “up” trong thời gian tương ứng là 1, 6, 12, và 48 giờ xử lý stress khô hạn. Tổng số có 3, 834, 2.131, và 3.337 unigenes được điều tiết theo kiểu “down” trong thời gian tương ứng là 1, 6, 12, và 48 giờ xử lý stress khô hạn. Sau 6, 12, và 48 giờ xử lý stress khô hạn, có 540 unigenes điều tiết theo kiểu “up”, 486 unigenes điều tiết theo kiểu “down” và 414 unigenes biểu hiện khác nhau một cách đáng kể. Nhiều họ gen bao gồm gen mã hóa Basic Helix-loop-helix (bHLH), basic leucine zipper (bZIP), Cystein2/Histidine2 (C2H2), C3H, Ethylene-responsive transcription factor (ERF), Homo domain-leucine zipper (HD-ZIP), MYB, NAC (NAM, ATAF1/2, và CUC2), Thiol specifc antioxidant  và WRKY biểu hiện phản ứng tích cực với stress khô hạn. Tổng số có 17.472 chỉ thị SSRs (simple sequence repeats) và and 510.617 chỉ thị SNPs (single nucleotide polymorphisms) được xác định trên cơ sở chạy kết quả transcriptome sequencing của giống khoai lang tím (PFSP). Khoảng 96,55% số trình tự DNA ghi nhận được không thể đọc on-line trong nguồn tài nguyên di truyền khoai lang. Vì vậy, người ta sẽ khắc phục bằng cách làm phong phú hơn phần chú thích di truyền (annotation) và tăng cường nghiên cứu về cơ chế chống chịu khô hạn của khoai lang thông qua công nghệ di truyền.

Xem https://doi.org/10.1038/s41598-020-69232-3

Di truyền tính kháng bệnh rỉ sắt của lúa mì

Nguồn: Reem Joukhadar, Grant Hollaway, Fan Shi, Surya Kant, Kerrie Forrest, Debbie Wong, Joanna Petkowski, Raj Pasam, Josquin Tibbits, Harbans Bariana, Urmil Bansal, German Spangenberg, Hans Daetwyler, Tony Gendall & Matthew Hayden. 2020. Genome-wide association reveals a complex architecture for rust resistance in 2300 worldwide bread wheat accessions screened under various Australian conditions. Theoretical and Applied Genetics September 2020; vol. 133:2695–2712.

Người ta sử dụng 2.300 mẫu giống lúa mì thuộc giống canh tác bản địa trên toàn thế giới, và 3 giống đối chứng của Úc: Annuello, Yitpi, Correll, để nghiên cứu tính kháng bệnh rỉ sắt ngoài đồng quan sát trên lá (Lr), trên thân (Sr), tính kháng cả hai rỉ sắt và bệnh sọc trong (Yr), xảy ra tại vùng trồng lúa mì ở châu Úc. Nhìn chung, tính kháng bệnh của những giống lúa mì mới của Úc, giống dẫn xuất do tổng hợp (synthetic derivatives) từ nguồn vật liệu của Bắc Mỹ và Nam Mỹ biểu hiện tốt hơn những quần thể có xuất xứ địa lý khác. Những môi trường canh tác khác nhau đối với từng tính trạng có tương quan ý nghĩa thống kê, giá trị r là 0.53, 0,23 và 0,66 tương ứng với Lr, Sr và Yr, theo thứ tự. Phân tích GWAS cho kết quả xác định những QTL biểu thị tương tác với môi trường đặc biệt, thích nghi rộng với nhiều môi trường. Người ta gọi đó là multi-trait GWAS. Người ta xác định một chùm gen Yr QTL định vị trên nhiễm sắc thể 3B, kích thước phân tử vùng đích là 4,4 cM. Giá trị LD (linkage disequilibrium) và kết quả so sánh bản đồ di truyền cho thấy có ít nhất ba Yr QTL có mặt trong chùm gen 3B; minh chứng rằng gen kháng bền vững với rỉ sắt là Yr30. Một QTL có tên là Sr/Lr định vị trên nhiễm sắc thể 3D được tìm thấy, chủ yếu trên tập đoàn giống lúa mì co thuật ngữ chung là synthetic-derived germplasm với nền tảng di truyền của giống Annuello, mang đoạn nhiễm sắc thể chuyển vị của Agropyron elongatum 3D, có locus điều khiển tính kháng bệnh Sr24/Lr24. Đặc biệt, ảnh hưởng SNP ước đoán qua phương pháp BayesR chỉ ra rằng: giá trị tương quan cao nhất ở xác suất  1% của ảnh hưởng QTL qua nhiều mpôi trường khác nhau (ngoài trừ GWAS QTL) đều có hệ số tương quan cao, r = 0,26, 0,16 và 0,55 đối với Lr, Sr và Yr, theo thứ tự. Đây là kết quả rất quan trọng nói về QTL có ảnh hưởng thứ yếu nhưng mang lại kết quả lớn vể tính kháng bền vững bệnh rỉ sắt thông qua kỹ thuật sàng lọc hệ gen lúa mì.

Xem : https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03626-9

Gen điều khiển anthocyanine của cây ớt (Capsicum annuum L.)

Nguồn: Jinqiu Liu, Xiyin Ai, Yihao Wang, Qiaohua Lu, Ting Li, Lang Wu, Liang Sun & Huolin Shen. 2020.  Fine mapping of the Ca3GT gene controlling anthocyanin biosynthesis in mature unripe fruit of Capsicum annuum L. Theoretical and Applied Genetics September 2020; vol. 133:2729–2742

Gen mã hóa sinh tổng hợp anthocyanin có tên là Ca3GT. Nguòi ta thực hiện fine-mapping trên vùng có kích thước phân tử 110,5 kb thông qua kỹ thuật dòng hóa gen trên bản đồ (map-based cloning). Gen biểu hiện và promoter biểu hiện được  xác định bằng gen ứng cử viện mạnh mẽ Capana10g001978. Cây ớt có tên khoa học là Capsicum annum L., là cây gia vị với quả ớt có màu sắc biến thiên từ xanh đậm, xanh, xanh nhạt, tím, vàng hoặc ngà vàng (ivory) khi quả còn non. Anthocyanins có nhiệm vụ hình thành màu quả chín, sự tích tụ transient của hợp chất anthocyanins là trở ngại chính trong cải tiến giống ớt với màu tím khi chín. Chí có một vài gen điều khiển tính trạng này đã được người ta dòng hóa. Trong nghiên cứu này, người ta thực hiện xây dựng bản đồ di truyền, xác định gen mã hóa sinh tổng hợp anthocyanin trong quần thể con lai F₂ của tổ hợp lai: ‘17C3808’ (quả chưa chín có màu tím) x ‘17C3807’ (quả chưa chín có màu xanh lá cây). Tính trạng này được ghi nhận trên bản đồ di truyền  ở đoạn phân tử 110,5 kb định vị giữa 2 markers SSR18213 - SSR18228 trên nhiễm sắc thể 10. Có 3 khung đọc mã (ORFs) trong vùng đích này; Capana10g001978 được dự đoán nằm trong vùng đích liên kết với markers CAPS-78-708 và InDel146 đồng phân ly với nó. Capana10g001978 là gen cấu trúc mã hóa protein GTB – một yếu tố phiên mã trong trong phản ứng sinh tổng hợp anthocyanins. So sánh chuỗi trình tự DNA bố mẹ, hai base đột biến được xác định trong exon của gen Capana10g001978, tại vị trí + 528 bp và + 708 bp, cho thấy rằng có biến thể thứ 176^th và thứ 236^th gốc amino acid, từ phân tử glutamine (CAA) đến histidine (CAC), gây ra đột biến kiểu nonsense (từ CAG đến CAA). Hơn nữa, gen Capana10g001978 biểu hiện mạnh mẽ trong vỏ quả ớt, quả ớt chưa chín. Có 4 chỉ thị SNPs, 3 mất đoạn trong trình tự, và một chèn đoạn trong trình tự của vùng promoter được tìm thấy trong kiểu hình quả chín tím,quả chưa chín tím, dẫn đến thông tin của W-box và GT1-motif. Gen Capana10g001978 gen gen ứng cử viên mạnh nhất của Ca3GT bao gồm sinh tổng hợp anthocyanin của quả ớt chín và chưa chín. Đây là thông tin quan trọng cho nội dung định tính Ca3GT, điều tiết thể hiện sinh tổng hợp anthocyanin của cây ớt.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03628-7.

Giống cây trồng chuyển nạp gen Bt không ảnh hưởng đến động vật không xương sống trong đất

Nguồn: Paul Henning Krogh, Kaloyan Kostov & Christian Frølund Damgaard.  2020. The effect of Bt crops on soil invertebrates: a systematic review and quantitative meta-analysis. Transgenic Research (2020) September 5 2020.

Người ta tranh luận quyết liệt về ảnh hưởng của giống cây trồng chuyển gen Bt đối với sinh môi, đa dạng sinh học của đất canh tác nhất là sinh vật được xem là có chức năng ecosystem services (dịch vụ sinh thái trong công nghệ sinh thái). Cây trồng transgenic với gen Bt thông qua chuyển nạp gián tiếp bởi vi khuẩn Bacillus thuriengensis và gen thể hiện bằng protein Cry toxin đối với sâu gây hại cây trồng hết sức cụ thể. Động vật không chủ đích thuộc  loài không xương sống trong đất (soil invertebrates) được ghi nhận đặc biệt trong nghiên cứu này vì nó góp phần quan trọng vào độ phì của đất và chuyển hóa chất hữu cơ trong đất, theo xu hướng có lợi cho cây trồng. Đây là những loài cần được bảo vệ trong canh tác học. Một số nghiên cứu đã ghi nhận sự phong phú (abundance) và sinh khối (biomass) của những soil invertebrates như vậy trên đồng ruộng trồng cây chuyển gen nhất là giống cây trồng Bt. Người ta tập trung nghiên cứu Protista, tuyến trùng, Collembola, mối, enchytraeids, và giun đất nhằm bổ sung nguồn tư liệu minh chứng và trả lời những câu hỏi về  quần thể, sinh khối của những loài nói trên diễn biến ra sao? Khi canh tác với cây trồng biến đổi gen Bt so sánh với giống cây trồng nguyên thủy của chúng (chưa chuyển gen). Tổng quan ghi nhận đến 6110 tiêu đề nghiên cứu, trong đó, có 38 nghiên cứu đáp ứng tiêu chuẩn bao hàm nói trên, với 22 tư liệu khoa học được ấn hành với cơ sở dữ liệu được trích dẫn nhiều. Cơ sở dữ liệu có 2046 kỷ lục thu thập từ 36 địa điểm, cây trồng mang đặc điểm của độc tố Cry1Ab, Cry1Ac, Cry3Bb1 và Cry3Aa. Mức độ so sánh trên cơ sở thống kê học theo giá trị Hedges’ g. Ảnh hưởng Cry trên nhiều quần thể loài không chủ đích được thu thập sau khi thức hiện meta-analysis / hierarchical Bayesian với số lần lập lại bắt buộc về thống kê. Ảnh hưởng tạm thời có tính chất size effects được mô phỏng toán, dựa trên số liệu thí nghiệm đồng ruộng. Xem xét dựa theo Bộ (orders) các sinh vật không xương sống trong đất, nhưng dung lượng mẫu vẫn chưa đủ để phân tích, cộng thêm sai số không đồng nhất của mẫu (heterogeneity) còn quá lớn để có những kết luận đáng tin cậy về ảnh hưởng của Cry ở mức độ phân loại cấp Bộ (Order). Tuy nhiên, ở cấp nhỏ hơn Bộ, không có ảnh hưởng đáng kể nào của Cry đối với sinh vật không xương sống trong đất.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-020-00213-y.

Ảnh hưởng “effector genes” của nấm gây bệnh đạo ôn lúa

Nguồn: Sergio M Latorre, C Sarai Reyes-Avila, Angus Malmgren, Joe Win, Sophien Kamoun, Hernán A Burbano. 2020. Differential loss of effector genes in three recently expanded pandemic clonal lineages of the rice blast fungus. BMC Biol. 2020 Jul 16; 18(1):88. doi: 10.1186/s12915-020-00818-z.

Sự hiểu biết về cơ chế và thời điểm thích hợp cho bùng phát bệnh rất cần được hỗ trợ bởi những phân tích chi tiết mang tính chất toàn bộ hệ gen của pathogen gây bệnh trong lịch sử gây bệnh ở mức đại dịch (pandemic). Nấm Magnaporthe (Syn. Pyricularia) oryzae là tác nhân gây bệnh đạo ôn cho cây lúa. Nó được xem như một pathogen có tác hại lớn nhất về bệnh của cây lúa trên toàn thế giới. Mặc dù M. oryzae pathogen có tính chất đa ký chủ, xâm nhiễm trên 50 loài cây trồng khác, nhưng tất cả mẫu phân lập của nấm trên cây lúa đều thuộc về một lineage được người ta xác nhận về di truyền. Người ta kết hợp hai cơ sở dữ liệu lớn nhất để xây dựng nên lịch sử di truyền của lineage xâm nhiễm cây lúa M. oryzae trên cở sở 131 isolates (mẫu phân lập) thu thập từ 21 quốc gia. Quần thể toàn cầu của nấm gây bệnh đạo ôn chủ yếu bao gồm ba nhóm (groups) được định nghĩa khá chi tiết về di truyền; và một tập đoàn đa dạng của những cá thể thu thập. Trắc nghiệm di truyền đa quần thể cho thấy rằng: lineage của nấm gây đạo ôn lúa có thể xuất phát từ sự phối hợp giữa nhóm đa dạng của Đông Nam Á theo sau đó là ba quần thể mở rộng từ dòng độc lập (independent clonal expansions) xảy ra 200 năm trước đây. Thành phần của những alen chia sẻ  đã xác định được quần thể phụ (subpopulation) từ recombining diverse group mà nhóm đa dạng này du nhập vào  một trong những lineages của dòng vô tính trước khi phát tán trên toàn thế giới. Đáng chú ý là, bốn lineages di truyền của nấm đạo ôn lúa biến thể quá nhiều, và những thành phần của chúng có mặt hoặc không có mặt của những gen effector mang tính chất ứng cử viên. Những gen mày mã hóa các protein bí ẩn - chúng can thiệp vào hệ thống phòng vệ của cây lúa và cho phép pathogen xâm nhiễm vào. Đặc biệt, những lineages mang tính chất vô tính có một repertoire của effector so với nhóm đa dạng. Sau đó, các tổ hợp đặc biệt xảy ra, với sự có mặt hoặc không có mặt của những effector genes, xác định những lineages trong đại dịch (pandemic). Tổng quan này đề cập rõ lịch sử di truyền của lineage nấm gây bệnh đạo ôn cây lúa M. oryzae với ba lineages mang tính chất clonal kết hợp với những đợt đại dịch (blast pandemics) xảy ra. Mỗi một lineage như vậy có chức năng đặc biệt với sự có mặt hoặc không có mặt của các effector genes, làm tăng sự thích nghi của nấm đối với cây chủ vô cùng phức tạp, phản ánh lịch sử đồng tiến hóa của ký chủ và ký sinh.

Xem https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-020-00818-z

Sự bùng nổ dòng vô tính Magnaporthe oryzae xảy ra 200 năm trước đây. Bayesian tip điều chỉnh cây gia hệ  với những cá thể nấm thuộc vệ các clonal lineages. Giá trị quảng trung bình tin cậy được, và HPD 95% được biểu thị theo năm. Bayesian posterior probability có màu đỏ đối với những nodes làm dẫn đến bùng phát clonal lineage expansions (Latorre và ctv. 2020).