Tuần tin khoa học 739 (24-30/5/2021)

Hệ gen giống đậu Tepary (tây nam Hoa Kỳ) tiến hóa dưới stress nóng

Nguồn: Samira Mafi Moghaddam, Atena Oladzad, Chushin Koh, Larissa Ramsay, John P. Hart, Sujan Mamidi, Genevieve Hoopes, Avinash Sreedasyam, Andrew Wiersma, Dongyan Zhao, Jane Grimwood, John P. Hamilton, Jerry Jenkins, Brieanne Vaillancourt, Joshua C. Wood, Jeremy Schmutz, Sateesh Kagale, Timothy Porch, Kirstin E. Bett, C. Robin Buell & Phillip E. McClean. 2021. The tepary bean genome provides insight into evolution and domestication under heat stress. Nature Communications volume 12, 2638 (2021) Published: 11 May 2021.   

Đậu Tepary ở tây nam Hoa Kỳ ( tên tiếng Anh là Tepary bean, tên khoa học: Phaseolus acutifolis A. Gray), là giống bản địa của vùng Sonoran Desert. Nó thích nghi cao với nhiệt độ nóng và khô hạn. Đây là loài đậu có quan hệ họ hàng rất gần với đậu cô ve (common bean, Phaseolus vulgaris L.), loài đậu đỗ quan trọng giàu protein phục vụ thực phẩm cho loài người. Sản lượng đậu trở nên bị đe dọa bởi biến đổi khí hậu ngày nay. Các tác giả công trình khoa học này tiến hành giải trình tự hệ gen cây Tepary nhằm khai thác cơ chế phục hồi của cây trước stress do nhiệt độ nóng lên của khí quyển và nguồn gen kháng bệnh bị suy giảm, thích nghi với khi hậu sa mạc và môi trường nóng. Quan hệ di truyền huyết thống và gen được chia sẻ trong những loài thuộc chi Phaseolus sẽ làm thuận lợi cho kỹ thuật di truyền cây đậu cô ve, một cây trồng quan trọng sẽ có khả năng chịu nóng thông qua thành tựu khai thác hệ gen cây đậu tepary.

Xem : https://www.nature.com/articles/s41467-021-22858-x

GWAS giúp xác định di truyền tính trạng khối lượng hạt đậu nành

Nguồn: Wei Zhang, Wenjing Xu, Hongmei Zhang, Xiaoqing Liu, Xiaoyan Cui, Songsong Li, Li Song, Yuelin Zhu, Xin Chen & Huatao Chen. 2021. Comparative selective signature analysis and high-resolution GWAS reveal a new candidate gene controlling seed weight in soybean. Theoretical and Applied Genetics May 2021; vol. 134:1329–1341.

Người ta tìm thấy một QTL qHSW-16 trong sàng lọc di truyền có chiều sâu có liên quan đến tính trạng khối lượng hạt đậu nành, đây là một gen ứng cử viên mới điều khiển tính trạng KL hạt đậu (seed weight) bởi di truyền số lượng QTL thông qua kỹ thuật qRT-PCT.

Đậu nành [Glycine max (L.) Merr.] cung cấp cho thực phẩm thế giới hơn 50% hàm lượng dầu thực vật. Để khai thác tốt nguồn vật liệu bố mẹ trong ngân hàng gen cây đậu nành, phục vụ cải tiến giống cao sản có chất lượng dầu tốt, người ta cần phải giải quyết nội dung: mức độ đa dạng di truyền và  lịch sử tiến hóa cây đậu nành. Kết quả ghi nhận, có 283 mẫu giống đậu nành được chạy trình tự theo kỹ thuật resequencing có nguồn gốc ở Trung Quốc. Chúng được chạy với số lượng lớn chỉ thị phân tử SNPs chất lượng cao để nghiên cứu di truyền quần thể. Nguòi ta xem xét biến thiên di truyền của tính trạng khối lượng hạt that và những tính trạng nông học khác. Phân tích SSA (selective signature analysis) tìm thấy được tín hiệu chọn lọc mới mang tính giả định là 78 (~ 25.0 Mb) trong thời kỳ đậu nành thuần hóa và 39 (~ 22.60 Mb) trong thời kỳ người ta cải tiến giống đậu nành. Kết quả GWAS (genome-wide association study) đã xác định được năm loci liên quan đến tính trạng KL hạt. Trong những QTLs này, qHSW-16 chồng lên vùng có tính chọn lọc cải tiến, trên nhiễm sắc thể 16, cho thấy rằng: QTL này có thể khắc phục sự chọn lọc rất mạnh mẽ trong giai đoạn cải tiến giống đậu nành. Trong 18 gen ứng cử viên, thuộc qHSW-16, chỉ có gen SoyZH13_16G122400 biện hiện ra ở mức độ cao đối với giống đậu nành hạt to so với giống đậu nành hạt bé trong giai đoạn hạt phát triển. Người ta phân lập được gen SoyZH13_16G122400 như một gen ứng cử viên mới điều khiển khối lượng hạt và cung cấp những hiểu biết di truyền các điểm đích ở quy mô phân tử phục vụ cải tiến giống đậu nành cao sản có hạt nặng theo mong muốn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03774-6

Protein Knl1 có vai trò truyền tín hiệu trong hệ gen cây bắp

Nguồn: Handong Su, Yang Liu,  Chunhui Wang, Yalin Liu, Chao Feng, Yishuang Sun, Jing Yuan,  James A. Birchler, and Fangpu Han. 2021. Knl1 participates in spindle assembly checkpoint signaling in maize. PNAS May 18, 2021 118 (20) e2022357118; GENETICS.

Truyền tín hiệu có tiính chất checkpoint ở giai đoạn sợi nhiễm sắc hình thoi, viết tắt là SAC (spindle assembly checkpoint) điều khiển tính trạng gắn kết kinetochores đến thoi nhiễm sắc (spindle microtubules). Tuy nhiên, làm thế nào SAC proteins kết nối với kinetochores vẫn còn là điều bí ẩn trong thực vật. người ta xác định được chore protein Knl1 của cây bắp và cho rằng nó có chắc năng mang tính ch61t bảo thủ Knl1 khi phân bào. Dạng xoắnvới những amino acid có tính chất “hydrophobic” (kỵ nước) ở giữa phân tử protein Knl1 có trong sự tập họp của SAC protein, điều này khác với phosphoryl hóa trên môi trường Mps1 của những modules MELT. Chúng được mô tả trong tế bào nấm men (yeast) và động vật có vú. Vùng này, được tìm thấy trong protein Knl1 của cây bắp, được bảo tồn trong thực vật một lá mầm nhưng biểu hiện hết sức đa dạng trong sinh vật eukaryote, như vậy,  kiến trúc của kinetochore rất khác biệt nhau trong sự truyền tín hiệu SAC của thực vật.

Hệ thống Knl1-Mis12-Ndc80 (KMN) là thành phần rất cần thiết của kinetochore–microtubule gắn ở mặt ngoài, rất cần cho sữ ổn định hệ gen của sinh vật eukaryote. Người ta tiến hành dòng hóa phân tử đồng dạng Knl1 của cây bắp (Zea mays), rồi xác định nó như một kinetochore trung tâm có tính chất giả định. Các xét nghiệm về chức năng cho thấy chúng có vai trò hết sức bảo thủ trong phân ly và tập học nhiễm sắc thể trong phân bào, gây ra sự phân bào khiếm khuyết khi phát triển hạt bắp, lúc đó, phân tử Knl1 transcript hết hoạt động. Một vùng có 145 aa trong đoạn giữa của phân tử protein Knl1 cây bắp, không có trongnhững đoạn lập lại MELT, được gắn với hoạt động tương tác SAC (spindle assembly checkpoint) của họ protein Bub1/Mad3 số 1và số 2 (Bmf1/2) mà không gắn với protein Bmf3..

Xem https://www.pnas.org/content/118/20/e2022357118

OsCOP1 điều khiển sự phát triển phôi và sinh tổng hợp flavonoid trong hạt thóc

Nguồn: Backki Kim, Rihua Piao, Gileung Lee, Eunbyeol Koh, Yunjoo Lee, Sunmin Woo, Reflinur, Wenzhu Jiang, Endang M. Septiningsih, Michael J. Thomson & Hee-Jong Koh. 2021. OsCOP1 regulates embryo development and flavonoid biosynthesis in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics 5 May 2021 on-line

Những đột biến mới của gen OsCOP1 được xác định là có hiệu ứng tạo ra phẩm màu vàng bóng của vỏ lụa hạt gạo và kiểu hình tự chết của phôi mầm, điều này chứng tỏ protein OsCOP1 có vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp flavonoid và phân sinh ra phôi mầm trong hạt thóc (embryogenesis). Sự sản sinh thành công hạt giống có sức sống tốt là bước đi rất quan trọng của chu trình sống, nhưng sự phát triển hạt là tiến trình phức tạp, tiến trình có sự điều tiết rất cao ảnh hưởng đến nhiều tính trạng như sức sống của hạt mầm, màu sắc hạt. Kết quả nghiên cứu cho thấy: ba đột biến yel (yellowish-pericarp embryo lethal) là yel-hc, yel-sk, và yel-cc, được phát sinh ra từ  ba giống lúa japonica (Oryza sativa L). Hạt giống đột biến có vỏ lụa màu yellowish (vàng bóng) và biểu hiện tính chất tự chết của phôi mầm (embryonic lethality), với kích thước hạt và khối lượng hạt giảm đáng kể. Sai khác về kiểu hình như vậy có tính chất tạm thời trong vòng 5 ngày sau khi thụ phấn, với phôi mầm biến dạng và tích tụ nhiều chất flavonoid trong cây đột biến yel . Phân tích di truyền và bản đồ di truyền cho thấy kiểu hình của 3 dòng đột biến yel do một gen lặn đơn điều khiển, LOC_Os02g53140, tương đồng với gen CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC 1 (COP1) của cây Arabidopsis thaliana. Dòng đột biến yel-hc, yel-sk, và yel-cc mang protein đột biếntrong phân tử RING finger, xoắn, và có những domains WD40 repeat, theo thứ tự, của gen OsCOP1. Sử dụng đột biến có chủ đích nhờ hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để knock out gen OsCOP1 thông qua xác định đích đến của domain có chức năng. Hạt transgenic biểu hiện kiểu hình của yel mutant. Sự biểu hiện mạnh mẽ gen OsCOP1  trong dòng đột biến đồng hợp tử yel-hc phục hồi lại màu vỏ lụa hạt thóc (pericarp color). Sự tích tụ flavonoid có tính sai khác được tìm thấy trong đột biến yel-hc làm suy giảm có ý nghĩa phẩm chất của phôi mầm và nội nhũ. Như vậy OsCOP1 gắn liền với sự phát triển phôi mầm và sinh tổng hợp flavonoid trong hạt thóc. Đây là nghiên cứu cung cấp hiểu biết tốt hơn về chức năng của gen OsCOP1 trong trong giai đoạn phát sinh phôi mầm ở giai đoạn đầu tiên và sinh tổng hợp flavonoid của hạt thóc.

Xem  https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03844-9

Di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa trong chuyển nạp gen

Nguồn: Xin Li, Longyu Pan, Dongling Bi, Xudan Tian, Lihua Li, Zhaomeng Xu, Lanlan Wang, Xiaowei Zou, Xiaoqing Gao, Haihe Yang, Haiyan Qu, Xiang qian Zhao, Zheng jie Yuan, Haiyan He, Shaohong Qu. 2021. Generation of Marker-Free Transgenic Rice Resistant to Rice Blast Disease Using Ac/Ds Transposon-Mediated Transgene Reintegration System. Front Plant Sci. 2021 Apr 20;12:644437.  doi: 10.3389/fpls.2021.644437. 

Bệnh đạo ôn lúa là đối tượng gây hại được xếp hạng nguy hiểm số một đối với sản lượng thóc của toàn thế giới. Lai tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn luôn là mục tiêu ưu tiên hàng đầu vì hiệu quả kinh tế, an toàn sinh học, và biện pháp quản lý hữu hiệu. Nhằm bổ sung phương pháp chọn tạo giống lúa truyền thống, người ta thực hiện chuyển nạp gen có thể tiết kiệm được đầu tư thời gian quá lâu do lai tạo và chọn dòng qua nhiều thế hệ con lai. Những vectors Activator (Ac)/Dissociation (Ds) transposon của cây bằp (Zea mays) mang GFP (green fluorescent protein) và mCherry (red fluorescent protein); đây là những genetic markers được sử dụng để tạo ra cây lúa không có marker chọn lọc sau này (marker-free transgenic rice). Kỹ thuật sàng lọc bằng "Double fluorescent protein-aided” sẽ chống lại sự hiện diện của phân tử T-DNA kết hợp tốt với kỹ thuật PCR để sàng lọc tích cực  gen đích mong muốn GOI (gene of interest) nhằm thanh lọc con lai không có chỉ thị chọn lọc (marker-free progeny). Người ta tiến hành dòng hóa một phân tử cassette RNAi e đối với gen kháng đạo ôn lúa Pi21. Gen này điều tiết thụ động tính kháng đối với bệnh đạo ôn như một GOI đối với nguyên tố Ds trong vector Ac/Ds và chấp nhận dòng lúa T1 không có marker từ 13 cây lúa transgenic độc lập nhau. Dòng lúa không có marker và  đồng hợp tử alen Ds/GOI được xác nhận bằng kết quả chạy PCR và phân tích Southern để chắc chắn rằng chúng hoàn toàn không có markers, trình tự T-DNA. Phân tích qRT-PCR và chủng nhân tạo nấm đạo ôn cho kết quả xác định những cây lúa transgenic không có marker. Chúng biểu hiện sự gia tăng tính kháng bệnh đạo ôn lúa. Kết quả TAIL-PCR cho thấy Ds (Pi21-RNAi) transgenes của hai dòng lúa này tích hợp lại với nhau trong vùng có tính chất intergenic trong hệ gen lúa. Vector Ac/Ds với những markers có tính chất dual fluorescent protein cho kết quả đáng tin cậy về sàng lọc con lai không có marker. Nó có thể được sử dụng cho cải tiến giống lúa bằng phương pháp chuyển nạp gen nhằm tạo ra gống lúa cao sản kháng bệnh đạo ôn bền vững.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33959140/

Hình: Double-fluorescent protein-biểu hiện Ac/Ds transposon vectors tạo ra những cây transgenic không có chỉ thị chọn lọc.