Giống cây trồng thích nghi với biến đổi khí hậu

Nguồn: Rod J. Snowdon, Benjamin Wittkop, Tsu-Wei Chen & Andreas Stahl. 2021. Crop adaptation to climate change as a consequence of long-term breeding. Theoretical and Applied Genetics June 2021; vol. 134:1613–1623.

Chọn giống cây trồng là một tiến trình dài. Quy trình chọn giống kinh điển xem cây trồng phát triển trong điều kiện đại trà trên nhiều vùng sinh thái khác nhau trải qua nhiều năm một cách bền vững. Do vậy, giống mới cũng phải thích ứng với biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, chọn tạo giống cây trồng hiện đại có thể giúp cho người ta đẩy nhanh sự tích tụ của những alen tích cực đối với tính trạng sinh lý “vô hình” liên quan đến sự thích ứng khí hậu. Các giống cây trồng chủ lực trong nông nghiệp thế giới là giống cao sản, đang đối mặt với mối hiểm họa ngày càng tăng do tác động của biến đổi khí hậu, đặc biệt là khô hạn và nhiệt độ nóng của khí quyển. Nghiên cứu tập trung vào những khía cạnh làm sao xác định được nguồn di truyền bên ngoài đa dạng tương ứng với chống chịu stress hoặc tránh né được stress, minh chứng rõ tính chống chịu, du nhập các nhân tố di truyền thích ứng, hoặc tìm ra những gen đích làm cơ sở vững chắc cho mục tiêu cải biên di truyền thành công. Mặc dù có nhiều phương pháp tiếp cận như vậy, nhưng  thành công không phải lúc nào cũng có, với ảnh hưởng tích cực đáp ứng tốt với stress ngoại cảnh, ví dụ thông qua module về sự mọc sâu của rễ, sự cải biến gen chủ lực điều khiển kiến trúc cây trồng, hoặc chức năng của cây với stress. Trái lại, hiệu quả di truyền lâu dài (genetic gain) thông qua chọn chống kinh điển đã làm gia tăng năng suất đáng kể giống cây trồng mới, nhờ tích tụ những biến thể có lợi liên quan đến sự ổn định năng suất, thích nghi với stress. Ở đây, người ta phản ánh tiến bộ ngành giống có tính chất hoài cổ (retrospective breeding) đối với những giống cây trồng chính, và tác động của chọn giống dài hạn theo kinh điển đối với thích nghi biến đổi khí hậu, ổn định năng suất trong điều kiện stress phi sinh học. Nhìn về phía trước, người ta hi vọng phương pháp mới có thể bổ sung tuyệt vời cho ngành chọn giống truyền thống để duy trì và tiếp cận với tiến bộ chọn giống mới, trước thách thức của biến đổi khí hậu, làm tiến để cho cải tiến giống cây trồng tương lai.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03729-3

Sự biểu hiện gen GmMYB14 giúp đậu nành năng suất cao, chống chịu khô hạn

Nguồn: Chen L, Yang H, Fang Y, Guo W, Chen H, Zhang X, Dai W, Chen S, Hao Q, Yuan S, Zhang C, Huang Y, Shan Z, Yang Z, Qiu D, Liu X, Tran LP, Zhou X, Cao D. 2021. Overexpression of GmMYB14 improves high-density yield and drought tolerance of soybean through regulating plant architecture mediated by the brassinosteroid pathway. Plant Biotechnol J. 19(4):702-716.

Yếu tố phiên mã MYB (TFs) được công bố là tác nhân điều tiết sinh tổng hợp những sản phẩm biến dưỡng thứ cấp (secondary metabolites), cũng như đóng vai trò trung gian giúp cây thích ứn với stress phi sinh học bao gồm khô hạn. Tuy nhiên, vai trò của MYB TFs trong điều hòa sự biểu hiện của kiến trúc cây và tiềm năng năng suất vẫn còn chưa được hiểu hết. Ở đây, người ta tiến hành nghiên cứu vai trò của gen nhạy cảm với phân giải nước GmMYB14 trong điều tiết kiến trúc cây, năng suất cao và chống chịu khô hạn thông qua chu trình BR (brassinosteroid) của cây đậu nành. GmMYB14 định vị trong nhân, hoạt động có tính chất tương tác xuyên màng. Sự thể hiện mạnh mẽ và ổn định của GmMYB14 (GmMYB14-OX) trong cây đậu nành transgenic phát sinh ra cây nửa lùn, tán gọn kết hợp với kích thước tế bào giảm, làm chiều cao cây giảm, lóng thân giảm, diện tích lá giảm, chiều dài cuống lá giảm, góc lá đứng, năng suất tăng khi trồng với mật độ cây dầy ở ngoài đồng. Kết quả chạy trình tự hệ transcriptome cho thấy những BRs trong điều tiết  kiến trúc cây có gen GmMYB14-OX. Thật vậy, cây GmMYB14-OX biểu hiện BR nội sinh giảm, trong khi phun brassinolide từ bên ngoài vào có thể cứu lại kiểu hình của cây GmMYB14-OX. Hơn nữa, GmMYB14 được thấy gắn trực tiếp với promoter của gen GmBEN1 và thể hiện điều tiết theo kiểu “up”, dẫn đến kết quả làm giảm hàm lượng BR trong cây GmMYB14-OX. Cây GmMYB14-OX còn có vai trò cải thiện tính chịu hạn ở thí nghiệm ngoài đồng. Biểu hiện GmBEN1 theo kiểu “up” trên lá đậu nành của cây GmMYB14-OX, trong nghiệm thức xử lý polyethylene glycol, chỉ ra rằng: sự suy giảm GmBEN1 trong mức độ BR lkhi cây bị stress góp phần vào tính chống chịu khô hạn/stress áp suất thẩm thấu của cây đậu nành transgenic.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33098207/

Giống đậu nành chống chịu stress do “tính bảo hòa các base trong đất thấp”

Nguồn: Sinomar Moreira Andrade, Larissa Pereira Ribeiro Teodoro, Fábio Henrique Rojo Baio, Cid Naudi Silva Campos, Cassiano Garcia Roque, Carlos Antonio da Silva Júnior, Paulo Carteri Coradi, Paulo Eduardo Teodoro. 2021. High-throughput phenotyping of soybean genotypes under base saturation stress conditions. Journal  of Agronomy and Crop Science; First published: 06 June 2021.

https://doi.org/10.1111/jac.12513

Nghiên cứu giống đậu nành cao sản chống chịu stress phi sinh học là mục tiêu chính của chọn giống cây trồng. Người ta tiến hành sử dụng những công nghệ của “nông nghiệp chính xác” kết hợp với công cụ “remote sensing” trong đánh giá kiểu hình cây trồng. Giả thuyết nghiên cứu này là giống đậu nành  đáp ứng với stress do bão hòa base trong đất thấp (base saturation) với nghiệm thức từ thấp đến cao trong đất, chỉ số “vegetation indexes” có thể là công cụ thỏa mãn đầy đủ kết quả đánh giá kiểu hình cây trong thí nghiệm này. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá tình trạng dinh dưỡng và đặc điểm nông học của những giống đậu nành thí nghiệm trong điều kiện độ bảo hòa base trong đất thấp, so với độ bảo hòa base theo khuyến cáo làm công cụ để có kết quả “high-throughput phenotyping”. Thí nghiệm được tiến hành vào năm 2017/2018 và 2018/2019, trong đó, hai thí nghiệm ngoài đồng trong mỗi vụ trồng. Thí nghiệm I, các giống (P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9 và P10) được đánh giá không có yếu tố “soil correction” (độ bão hòa base thấp). Thí nghiệm II, bón vôi được bổ sung một tháng trước khi gieo hạt đối với nghiệm thức gia tăng độ bão hòa base lên 60% (mức bão hòa khuyến cáo). Tính trạng “tán lá” (canopy spectral behaviour) được theo dõi theo kết quả đo độ dài sóng: xanh lục (550 nm), đỏ (660 nm), cận đỏ (735 nm) và cận tím (790 nm), cộng thêm chỉ số tăng trưởng thực vật Vis (vegetation indices) NDVI, SAVI, EVI và MSAVI được người ta tính toán. Các biến số về calcium trên lá và hàm lượng magnesium lá, năng suất được thu thập. Sử dụng chỉ số VI’s rất hiệu quả trong đánh giá ưu điểm của giống đậu nành ở các nghiệm thức xử lý “base saturation” khác nhau. Chỉ số EVI có tương quan trung bình với biến số dinh dưỡng và biến số nông học ở mỗi nghiệm thức xử lý base. Phương pháp mới này cho phép người ta xác định giống đậu nành chống chịu với “base saturation” thấp trong đất và kết quả tương thích với bón vôi bổ sung.

Xem: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1111/jac.12513

Sự truyền tín hiệu auxin điều tiết phản ứng ABA thông qua phosphoryl hóa

Nguồn: Jie Yang, Hang He, Yuming He, Qiaozhen Zheng, Qingzhong Li, Xin Feng, Pengcheng Wang, Guocheng Qin, Yangtao Gu, Ping Wu, Chao Peng, Shilei Sun, Yi Zhang, Mingzhang Wen, Rong Chen, Yang Zhao, and Tongda Xu. 2021. TMK1-based auxin signaling regulates abscisic acid responses via phosphorylating ABI1/2 in Arabidopsis. PNAS June 15, 2021 118 (24) e2102544118.  

Chức năng phức tạp và đa dạng của “phytohormone auxin” liên quan đến hàm lượng của nó. Hàm lượng cao của auxin có những ảnh hưởng khác biệt khá lớn đối với sự phát triển của cây và sự thích nghi của cây với môi trường sống so sánh với auxin có mức biểu hiện thấp. Trong nghiên cứu này, người ta chứng minh rằng: hàm lượng cao auxin có khả năng kích thích sụ đáp ứng của ABA thông qua cơ chế dựa vào TMK1. Nó bao gồm sự kiện phosphoryl hóa của ABI1/2, hai phân tử regulators có tính chất “negative” trong chu trình truyền tín hiệu ABA, theo sau hoạt động của phản ứng ABA vùng dưới (downstream ABA responses).

Hàm lượng phytohormone khác nhau kích hoạt những kết quả khác nhau, cung cấp một cơ chế đối với tính chất linh hoạt của sự phát triển thực vật và chiến lược thích ứng với biến đổi khí hậu của cây trồng. Tuy nhiên, người ta hiểu rất ít cơ chế ấy. Công trính khoa học này minh chứng hàm lượng cao của auxin, khác biệt với ảnh hưởng của hàm lượng auxin thấp, làm thúc đẩy những đáp ứng của abscisic acid (ABA) trong cây mô hình Arabidopsis thaliana, liên quan đến TMK1 (TRANS-MEMBERANE KINASE 1), một phân tử regulator chủ chốt trong chu trình truyền tín hiệu auxin. Người ta chứng minh rằng auxin cao và TMK1 có vai trò chủ chốt và tích cực của ABA signaling thông qua kết quả điều tiết ABA INSENSITIVE 1 và 2 (ABI1/2), hai phân tử regulators âm tính của chu trình ABA. TMK1 ngăn cản hoạt động men phosphatase của ABI2 bởi sự kiện phosphoryl hóa threonine 321 (T321), một vị trí bảo thủ của phosphoryl hóa trong protein ABI2, mà phosphoryl hóa của chúng vô cùng quan trọng cho cả auxin cũng như phản ứng ABA. Sự truyền tín hiệu auxin phụ thuộc vào TMK1 như vậy khi điều tiết các phản ứng ABA cung cấp cho cơ chế gắn liền với phản ứng auxin cao của cây và cơ chế luân phiên bao gồm cơ chế phối hợp giữa auxin  và truyền tín hiệu ABA.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/24/e2102544118

Chỉnh sửa gen cà chua để cải biên genome chính xác

Nguồn: Yuming Lu, Yifu Tian, Rundong Shen, Qi Yao, Dating Zhong, Xuening Zhang, Jian-Kang Zhu. 2021. Precise genome modification in tomato using an improved prime editing system. Plant Biotechnol J. 2021 Mar; 19(3):415-417.

Công nghệ chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas được ứng dụng rộng rải để sáng tạo nên những alen có tính chất bị knockout bằng cách sáng tạo ra những phân tử insertions ngắn hoặc phân tử deletions ngắn (indel) trong nhiều loài cây trồng hiện nay. Do hiệu quả thấp của HDR (homology‐directed repair) và những khó khăn của dẫn xuất DNA nền phục vụ HDR, do đó, người ta tiếp cận với “precise genome editing” (cải biên hệ gen chính xác) vẫn còn thách thức trong cây trồng. Phương pháp có thuật ngữ khoa học là tandem repeat‐HDR đã được người ta phát triển gần đây,  để thay thế chuỗi trình tự DNA của hệ gen cây lúa. Những “base editors” được phát triển từ Cas9 nickase dung hợp với cytosine và adenine deaminases cho phép đáng dấu đích đến C‐to‐T hoặc  A‐to‐G substitutions, nhưng rất hạn chế với kiểu đặc biệt của thay thế base và tuyển chọn các đích đến (target site selections). Phương pháp có tên là ‘search‐and‐replace’, còn được biết với thuật ngữ prime editing. Nó đã được triển khai trên tế bào động vật có vú, cho phép thay đổi trình tự DNA tại đích đến mà không cần DSBs hoặc DNA repair templates. Nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã vận dụng phương pháp này để ứng dụng trên cây một lá mầm, bao gồm cây lúa nước và cây lúa mì. Vẫn chưa có gì rõ ràng. Mặc dù “base editing” có hiệu quả cao trong thực vật một lá mầm như cây lúa, nhưng hiệu quả của nó vẫn rất thấp trong thực vật hai lá mầm. Do vậy, prime editing có thể được áp dụng cho cây hai lá mầm như cây cà chua? Ở đây, các tác giả của công trình này đã tiến hành sự vận dụng thành công của những prime editors trong trường hợp cây cà chua thông qua codon và promoter được tối ưu hóa. Hệ thống prime editing bao gồm 3 phần chính: nCas9‐MMLV (engineered Moloney murine leukaemia virus reverse transcriptase) là fusion protein, một prime editing guide RNA (pegRNA) và một phân tử cực nhỏ small guide RNA (sgRNA) phục vụ yêu cầu nicking. Người ta tích hợp hệ thống prime editing của động vật có vú với plant binary vector để biểu hiện trong cây cà chua, thiết kế vector pCXPE01. Promoter là CaMV 35S (2x35S) được sử dụng để biểu hiện protein tích hợp nCas9‐hMMLV (human codon‐optimized MMLV) trong khi pegRNA và sgRNA được vận hành bởi U6 promoter của Arabidopsis. Muốn biết hệ thống này có vận hành tốt hay không trong cây cà chua, người ta thiết kế hệ thống dual‐luciferase reporter, trong đó, NanoLuc là men luciferase siêu nhạy cảm, bởi đột biến dịch khung (frame‐shift mutations), một phân tử mất đoạn có hai nucleotides và sau nucleotides thay vào (NanoLucM). Chỉ có “precise editing” trên NanoLucM có thể hoàn trả lại hoạt động của men luciferase. Hiệu quả có thể được định tính thông qua kết đo lường luminescence, bằng luciferase của đom đóm, như đối chứng bên trong. Hai phân tử pegRNAs, pegRNA‐12 và phân tử pegRNA‐13, được ký hiệu với 13 và 14 nt PBS (primer binding site), theo thứ tự. Một phân tử 23 nt RT (reverse transcription) làm nền. Mỗi một thứ đều được vận hành bởi sgRNA để thực hiện nicking (bắt giữ) ở điếm đích 32‐nt hoặc 49‐nt vùng downstream tính từ nicking sites của pegRNA. Hai vector được thiết kế pCXPE01 mỗi thứ cho chuyển nạp vào lá cà chua cùng với Dual‐LucM reporter trong chuyển nạp gen theo phương pháp bắn gen. Năm ngày sau đó, người ta phát hiện ra luminescence được hoàn lại trong cả hai mẫu pegRNA‐12 và pegRNA‐13, hiệu quả trung bình là 0,26% so với đối chứng Dual‐Luc (100%). Như vậy,  primer editor như vậy có thể được áp dụng cho cây cà chua.

Xem: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7955883/

Sơ đồ “prime editing” phục vụ cải biên hệ gen cà chua chính xác.