Tuần tin khoa học 745 (05-11/07/2021)

Chọn giống cây trồng thích nghi với biến đổi khí hậu

Nguồn: Peter Langridge, Hans Braun, Brent Hulke, Eric Ober & B. M. Prasanna. 2021. Breeding crops for climate resilience. Theoretical and Applied Genetics June 2021; vol. 134:1607–1611

Hình: Giáo sư Peter Langridge, Plant Genomics Centre, Australia (tác giả chính bài này).

Nhằm tăng cường khả năng chống chịu với biến đổi khí hậu của cây trồng, người ta cần nhấn mạnh tập trung và “mục tiêu chọn giống” sao cho thích ứng một cách uyển chuyển với ngoại cảnh của sản xuất nông nghiệp. Điều này bao gồm những ảnh hưởng biến động ngày càng lớn của lượng mưa, nhiệt độ khí quyển hơn là những trải nghiệm hiện có, bao gồm thời tiết cực đoan, những thay đổi sinh học và phân bố của côn trùng gây hại, nguồn vi sinh gây bệnh hại, với yêu cầu an sinh xã hội gia tăng khi có bùng phát dịch bệnh cũng như sự hiện diện của mầm pathogens mới phát sinh. Nông dân quản lý những rủi ro không thể tránh khỏi như vậy kết hợp với canh tác giống cải tiến, cao sản và phẩm chất tốt trong điều kiện tối hảo, nhưng kết quả rất tệ khi mùa màng quá xấu. Nhà chọn giống và nhà canh tác học phải cùng với nông dân khi ngoại cảnh thay đổi bất lợi một cách cụ thể, nhưng biến đổi khí hậu tăng lên chóng mặt khiến người ta cần phải mở rộng hơn nữa khả năng thích nghi của giống mới, tăng trưởng và cho năng suất tốt một cách ổn định, giúp giảm thiểu thấp nhất rủi ro do biến đổi khí hậu và xây dựng tập đoàn giống chống chịu.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03854-7

Hệ thống rễ lúa mì cải tiến thích ứng với biến đổi khí hậu

Nguồn: Eric S. Ober, Samir Alahmad, James Cockram, Cristian Forestan, Lee T. Hickey, Josefine Kant, Marco Maccaferri, Emily Marr, Matthew Milner, Francisco Pinto, Charlotte Rambla, Matthew Reynolds, Silvio Salvi, Giuseppe Sciara, Rod J. Snowdon, Pauline Thomelin, Roberto Tuberosa, Cristobal Uauy, Kai P. Voss-Fels, Emma Wallington & Michelle Watt . 2021. Wheat root systems as a breeding target for climate resilience. Theoretical and Applied Genetics June 2021; vol. 134:1645–1662

Trong thập niên tới, hiệu quả chọn lọc di truyền (GA: genetic gain) phải lớn hơn đối với tính trạng năng suất nhằm đáp ứng nhu cầu an ninh lương thực, điều này khả thi cho dù những tác động bất ổn bởi biến đổi khí hậu vẫn còn thách thức sản xuất cây trồng trên thế giới. Hệ thống rễ cây trồng hút nước và dinh dưỡng trong đất cần phải đóng góp lớn nhất cho tăng trưởng, như vậy, cải tiến hệ thống rễ có kiến trúc phù hợp là thách thức của những vùng canh tác đặc thù, để cây trồng có thể chống chịu được khí hậu bất thuận. Mỗi một thành phần của chồi phát sinh rễ, tăng trưởng rễ, phát triển rễ đểu được điều khiển bởi di truyền, đáp ứng với biến đổi của ngoại cảnh. Điều này giải mã một hệ thống di truyền số lượng vô cùng phức tạp, không những đã chuyển kết quả dữ liệu thông tin cho nhà chọn giống, mà còn cung cấp những cơ hội với những công cụ chính xác. Trong bài tổng quan này, người ta thảo luận cái gì quan trọng nhất về cái gọi là ‘hidden half’ (một nửa bị che giấu) của cây trồng và giả định rằng: cải tiến giống cây trồng có thể làm tăng cơ hội tiếp cận với những phương pháp mới trực tiếp chọn lọc tính trạng mong muốn có hiệu quả chọn lọc di truyền cào về kiến trúc củqa bộ rễ. Khia thác nội dung như vậy, người ta tập trung vào cải tiến giống lúa mì (Triticum aestivum L.), cây lương thực quan trọng cho mục tiêu an ninh lương thực thế giới. Người ta tổng kết lại những công cụ  có khả năng đánh giá kiểu hình rễ trong nghiệm thức đối chứng và nghiệm thức xử lý stress trên đồng ruộng. Người ta vận dụng thành tự di truyền hiện đại và nguồn hệ gen (genomics resources) để phân lập ra kiến trúc di truyền điều khiển hệ thống kiến trúc rễ cây lúa mì. Khái quát hóa những thành tựu trong cải tiến giống lúa mì, người ta mở ra nhiều câu hỏi xoay quanh  kiến trúc hệ thống rễ nên được sàng lọc đối với điều kiện ngoại cảnh rất đa dạng trong nông nghiệp và cấu trình tính trạng di truyền trong quần thể con lai tương thích với nhau. Làm thế nào thực hiện sàng lọc trực tiếp kiểu hình rễ lý tưởng trong thực tế, là nội dung tập trung.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03819-w

Di truyền tính kháng đạo ôn cổ bông bởi OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4

Nguồn: Jingfang Dong, Lian Zhou, Aiqing Feng, Shaohong Zhang, Hua Fu, Luo Chen, Junliang Zhao, Tifeng Yang, Wu Yang, Yamei Ma, Jian Wang, Xiaoyuan Zhu, Qing Liu, Bin Liu. 2021. The OsOXO2, OsOXO3 and OsOXO4 Positively Regulate Panicle Blast Resistance in Rice. Rice (N Y); 2021 Jun 5; 14(1):51.

Mặc dù bệnh đạo ôn cổ bông làm thiệt hại năng suất hơn đạo ôn lá, nhưng các gen được dòng hóa có chức năng điều khiển tính kháng đạo ôn cổ bông vẫn rất hạn chế và cơ chế di truyền phân tử vẫn chưa rõ ràng. Các tác giả của công trình khoa học này đã tiến hành xác định ba gen mã hóa oxalate oxidase (OXO), gen OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4 từ giống lúa kháng bệnh đạo ôn BC10 trên cổ gié lúa. Sự biểu hiện của gen  OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4 được kích thích khi người ta chủng nấm bệnh vào cổ bông lúa. Phân tích sự định vị trên “subcellular” cho thấy có sự hiện diện của 3 proteins OXO ở trong nhân và trong tế bào chất. Làm câm gen đồng thời của OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4 làm giảm tính kháng đạo ôn cổ bông, trong khi đó sự biểu hiện mạnh mẽ của ba gen OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4 làm tăng tính kháng đạo ôn cổ bông. Sự thể hiện nhiều hơn H₂O₂ và các gen PR được người ta quan sát trên cây lúa có biểu hiện gen tích cực đối với 3 gen nói trên khi so sánh với cây đối chứng. Trong khi đó, cây lúa bị xử lý làm câm gen nói trên biểu hiện ít hơn H₂O₂ và mức độ thể hiện các gen PR so với cây đối chứng. Bên cạnh đó, xử lý phytohormone và sự truyền tín hiệu của phytohormone đều có liên quan đến kết quả phân tích biểu hiện gen. Cho thấy rằng: tính kháng bệnh đạo ôn cổ bông trung gian bởi ba gen mã hóa OXO có liên quan đến hoạt tính của JA và ABA trong chu trình truyền tín hiệu nhưng ức chế sự truyền tín hiệu của SA. Kết luận: OsOXO2, OsOXO3 và OsOXO4 điều tiết tích cực tính kháng bệnh đạo ôn cổ bông của cây lúa. Gen mã hóa OXO có thể trung gian cho tiến trình tích tụ H₂O₂ và mức độ thể hiện các gen PR trong thực vật. Hơn nữa, các gen mã hóa OXO có thể được điều tiết bởi ABA, SA và JA, có thể kết hợp với hoạt tính của chu trình truyền tín hiệu JA và ABA nhưng ức chế truyền tín hiệu SA.

Xem: https://thericejournal.springeropen.com/articles/10.1186/s12284-021-00494-9

Di truyền và chọn giống cây trồng thuộc nhóm “orphan crops”

Nguồn: Sandra Ndagire Kamenya, Erick Owuor Mikwa, Bo Song & Damaris Achieng Odeny. 2021. Genetics and breeding for climate change in Orphan crops. Theoretical and Applied Genetics June 2021; vol. 134:1787–1815

Biến đổi khí hậu làm thay đổi nhanh chóng cách chúng ta sống, cái chúng ta ăn và sản xuất, giống cây trồng mà chúng ta lai tạo và những tính trạng mục tiêu chủ đích. Trước đây, loài cây trồng mồ côi (orphan crops) là loài cây trồng ít được quan tâm nghiên cứu so với loài cây trồng chủ lực, sự biến đổi khí hậu và sự thích ứng của giống đang được quan tâm đặc biệt nhiều hơn, dưới điều kiện thời tiết ngày càng cực đoan. Nhiều loài cây trồng “orphan” chống chịu yếu ớt với stress sinh học và phi sinh học. Một vài loài có giá trị dinh dưỡng cao, còn lại là nguồn vật liệu của năng lượng sinh học, vật liệu dược phẩm và nguồn vật liệu công nghiệp. Cho dù chúng có nhiều lợi ích rất lớn, nhưng  orphan crops còn rất thiếu nguồn vật liệu di truyền quan trọng và hệ gen quan trọng có thể sử dụng như dấu vết thăm dò nhanh phục vụ cải tiến giống, làm sản lượng nông sản tăng theo hướng có lợi. Tiến trình được khởi động từ “draft genome” (hệ gen bản thảo đầu tiên) với ít nhất 28 loài  orphan crops trong thập niên qua. Cám ơn tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật sequencing với giá rẻ hiện nay. Người ta thực hiện được một chương trình cải tiến giống có tính chất cấu trúc (structured breeding) với ưu điểm là những công cụ hiện đại bổ sung kịp thời ví dụ như sàng lọc di truyền nhờ bộ SNP array (genomic selection), chọn giống nhanh (speed breeding), chỉnh sửa hệ  gen (genome editing), đánh giá kiểu hình chất lượng cao (high throughput phenotyping) và số hóa trong cải tiến giống (breeding digitization). Tất cả sẽ giúp cho chương trình cải tiến giống orphan crops khả thi.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03755-1

Hình: Những orphan crops như kê: finger millet (A), rau dền có hạt: grain amaranth (B), đậu Hà Lan cỏ: grass pea (C), khoai mỡ: water yam (D), cà tím châu Phi: African eggplant (E) và cây sa kê: breadfruit (F).