Tuần tin khoa học 752 (23-29/08/2021)

OsPRR73 & Di truyền tính trạng chống chịu mặn của cây lúa

Nguồn: Hua Wei, Xiling Wang, Yuqing He, Hang Xu, Lei Wang. Clock component OsPRR73 positively regulates rice salt tolerance by modulating OsHKT2;1-mediated sodium homeostasis. MBO Journal; 2021 Feb 1; 40(3): e105086.   

Vai trò của các thành phần của đồng hồ sinh học đối với sự chống chịu stress mặn chưa được định tính một cách đầy đủ trong hệ gen cây lúa. Công trình nghiên cứu này chỉ ra rằng: các thành viên của họ protein OsPRR (Oryza sativa Pseudo-Response Regulator), đặc biệt là protein OsPRR73 liên quan đến chống chịu mặn của cây lúa. Đáng kể là, kích thước hạt thóc và năng suất hạt của dòng lúa đột biến osprr73 suy giảm đáng kể khi được xử lý stress mặn, với mức độ tích tụ cao ROS (reactive oxygen species) và những ions sodium. Chạy trình tự RNA và xét nghiệm sinh hóa xác định được OsHKT2;1, mã hóa protein có ntên là plasma membrane-localized Na⁺ transporter, một chủ đích có tính chất phiên mã gen OsPRR73 biểu hiện tính chống chịu mặn. Tương thích như vậy, các dòng đột biến của OsHKT2;1 biểu hiện tính chống chịu stress mặn tăng lên. Phân tích sắc ký Immunoprecipitation-mass spectrometry (IP-MS) xác định được HDAC10 là protein nuclear interactor của OsPRR73 và là co-repressor của OsHKT2;1. Protein H3K9ac histone được đánh dấu tại vùng promoter của gen OsHKT2;1 giảm đáng kể trong dòng lúa đột biến osprr73. Kết quả này khẳng định rằng biểu hiện gen OsPRR73 làm cây lúa chống chịu mặn, bởi nó lấy vào HDAC10 nhằm ức chế phiên mã của gen OsHKT2;1, do đó, làm giảm đi hàm lượng Na⁺ tích tụ trong tế bào. Đây là ví dụ điển hình về mối liên kết phân tử mới giữa thành phần đồng hồ sinh học (clock components) và tính chống chịu stress mặn của cây lúa.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33347628/

Methyl esterase 1 (PvMES1) có vai trò làm tăng tính kháng Fusarium của đậu cô ve

Nguồn: Renfeng Xue, Ming Feng, Jian Chen, Weide Ge & Matthew W. Blair. 2021. A methyl esterase 1 (PvMES1) promotes the salicylic acid pathway and enhances Fusarium wilt resistance in common beans. Theoretical and Applied Genetics August 2021; vol. 134:2379–2398

Methyl esterase (MES), PvMES1, góp phần vào phản ứng tự vệ đối với bệnh héo khô (Fusarium wilt) của cây đậu cô ve, bằng cách điều tiết salicylic acid (SA) trong lộ trình truyền tín hiệu  từ sinh tổng hợp phenylpropanoid và biến dưỡng đường. Đậu cô ve (Common bean: Phaseolus vulgaris L.) là thực phẩm cây họ Đậu quan trọng. Bệnh héo khô Fusarium do nấm Fusarium oxysporum f. sp. phaseoli gây ra, đây là đối tượng gây hại nghiêm trọng, được lan truyền từ đất canh tác, xuất hiện khắp nơi trồng đậu cô ve trên thế giới, làm giảm năng suất và chất lượng nông sản. Rất ít nguồn vật liệu bố mẹ có gen kháng Fusarium wilt trong ngân hàng gen cây họ đậu. Hầu hết tính kháng có tính chất di truyền số lượng. Kết quả nghiên cứu đã xác định được methyl esterase (MES), PvMES1, góp phần rất lớn vào phản ứng tự vệ của cây, bằng cách điều tiết salicylic acid (SA) trong chu trình truyền tín hiệu khi cây phản ứng với xâm nhiễm của Fusarium wilt. Kết quả cho thấy vai trò của PvMES1 trong điều tiết mức độ của SA trong cây đậu cô ve, và chu trình truyền tín hiệu SA, cơ chế của phản ứng tự vệ. Sự biểu hiện mạnh mẽ gen PvMES1 làm tăng cường tính kháng bệnh Fusarium wilt; trong khi làm câm gen này sẽ cho kết quả nhiễm bệnh. Kết quả phân tích theo kỹ thuật RNA-seq analysis với cây đậu cải biên gen cho thấy rằng: những gen này gắn chặt với mức độ thay đỗi hàm lượng SA bao gồm các gen chức năng: (a) tổng hợp phenylpropanoid; (b) biến dưỡng đường; và (c) tương tác giữa ký chủ và ký sinh. Những nguyên tố tín hiệu chủ chốt này đã kích hoạt phản ứng tự vệ của cây đậu cô ve với bệnh Fusarium wilt. Tập họp lại tất cả, người ta kết luận rằng PvMES1 có vai trò chủ lực trong điều tiết sinh tổng hợp SA và truyền tín hiệu, làm tăng tính kháng bệnh Fusarium wilt của đậu cô ve, cung cấp kiến thức mới về ứng dụng cụ thể đối với cả gen mã hóa SA và MES cũng như các lộ trình sinh học, chúng tham gia vào phát triển giống mới đầy triển vọng có tính kháng bệnh phổ rộng.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03830-1

Gen Raso2 của đậu nành hoang dại là nguồn kháng aphid

Nguồn: Ki-Seung Kim, Ji-Min Kim, Jiyeong Jung, Ilseob Shin, Sumin Park, Ju Seok Lee, Soon-Chun Jeong, Jeong-Dong Lee, Jin Kyo Jung, Bo-Keun Ha & Sungtaeg Kang. 2021. Fine-mapping and candidate gene analysis for the foxglove aphid resistance gene Raso2 from wild soybean PI 366121. Theoretical and Applied Genetics August 2021; vol. 134:2687–2698

Soybean foxglove aphid (Aulacorthum solani).

Gen kháng con “foxglove aphid” có tên là Raso2 xuất xứ từ mẫu giống đậu nành hoang dại PI 366121, được thực hiện fine-mapped tại vùng có kích thước phân tử 77 Kb và người ta đã xác định được một gen ứng cử viên. Côn trùng chích hút “foxglove aphid”| (FA: Aulacorthum solani Kaltenbach) là đối tượng làm thiệt hại năng suất đậu nành nghiêm trọng. Gen kháng với côn trùng FA có tên là Raso2 thuộc mẫu đậu nành hoang dại PI 366121 được lập bản đồ di truyền trước đây, quãng giá trị 13 cM trên nhiễm sắc thể 7. Tuy nhiên, fine-mapping gen Raso2 rất cần thiết để cải tiến hiệu quả của chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) và để dòng hóa thành công gen ấy. Mục tiêu của đế tài này là thực hiện fine-map gen Raso2 từ cây đậu nành PI 366121 sử dụng Axiom^® 180 K SoyaSNP array, để xác định di truyền tính kháng của Raso2 trong nhiều nghiệm thức nền khác nhau, rồi xác định gen ứng cử viên. Quần thể mapping bao gồm 105 dòng con lai F_4:8 (dòng cận giao tái tổ hợp) để thực hiện fine-map gen này, để xét nghiệm tính kháng hóa sinh (antibiosis và antixenosis) của gen Raso2 đối với rầy aphid FA. Kết quả đã mapping gen Raso2 trên đoạn phân tử  có quãng rộng 1 cM tương ứng với độ dài vật lý 77 Kb chứa tám gen “annotated” (được phần mềm chú thích) trên cơ sở dữ liệu tham chiếu Williams 82 reference genome assembly (Wm82.a2.v1). Điều thú vị là tất cả những bổ sung có tính chất nonsynonymous trong Glyma.07g077700 mã hóa protein kháng bệnh bao gồm domain LRR và biểu hiện gen này trong nguồn vật liệu gốc PI 366121 cao hơn nhiều so với Williams 82. Hơn nữa, những chiỉ thị SNPs đa hình trong Glyma.07g077700 có thể phân biệt PI 366121 với nhiều gen nhiễm khác (FA-susceptible soybeans). Người ta xác định rằng Raso2 có trong tính kháng  với côn trùng FA. Di truyền Mendel cho thấy đó là gen đơn trội. Đây là nguồn thông tin khoa học  căn bản để tiếp tục thực hiện MAS nhằm phát triển giống đậu này kháng aphid FA cũng như chuẩn bị cho nghiên cứu chức năng và dòng hóa gen đích.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03853-8

Chỉnh sửa gen lúa mì, lúa nước và bắp

Nguồn: Chao He, Hao Liu, Dijun Chen, Wen-Zhao Xie, Mengxin Wang, Yuqi Li, Xin Gong, Wenhao Yan, Ling-Ling Chen. 2021. CRISPR-Cereal: a guide RNA design tool integrating regulome and genomic variation for wheat, maize and rice. Plant Biotechnology Journal; First published: 26 July 2021; https://doi.org/10.1111/pbi.13675

Hệ thống CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeat) kết hợp với protein (Cas) là tiến bộ có tính chất cách mạng trong nông nghiệp hiện đại. Trong hệ thống này, một trình tự guide tương thích với với một phân tử Dna đặc biệt nào đó trong hệ gen được đặt trước một phân tử synthetic RNA có một trình tự khung  (scaffold sequence) rất cần cho gắn kết với Cas để hình thành nên cái gọi là guide RNA (gRNA). Phức hợp gRNA/Cas gắn vớiphân tử DNA chủ đích, chứa PAM (protospacer adjacent motif) thông qua base-paring và phát sinh ra double-strand break (DSB) bởi protein mang tên Cas. Đột biến mới sẽ được tạo nên khi DSB không thể sửa lỗi hoàn toàn. Trong những biến thể của Cas (variants), Cas9 và Cas12a (còn được gọi là Cpf1) là hai enzyme  nucleases chủ lực, với hiệu quả chỉnh sửa gen rất cao. NGG (N = A, T, G hoặc C) đối với SpCas9 của vi khuẩn Streptococcus pyogenes, TTTN đối với Cpf1 của Acidaminococcus hoặc Lachnospiraceae, rất cần thiết để men nuclease sản sinh ra DSBs. Hiệu quả của CRISPR-Cas được xác định chủ yếu bởi trình tự của grna và tình trạng chromatin  tại vùng đích. Guide RNA trực tiếp hướng tới CRISPR-Cas để chỉnh sửa gen đích (on-target) và Cas protein  gắn vào đó để mở chromatin với ái lực cao hơn (higher affinity) nhằm tạo ra hiệu quả cao hơn. Thêm vào đó,  đa hình nucleotide của guide sequence ảnh hưởng lớn đến hiệu quả chỉnh sửa gen. Hiện nay, một số công cụ thiết kế CRISPR gRNA đã và đang được phát triển nhưng rất khó có những thông tin nhiều hơn về base-paring. Công cụ thiết kế grna nhanh chóng scans hệ gen đối với vùng on-targets và vùng off-targets, xem xét cách tiếp cận với chromatin  và chỉ thị SNPs ở tại vùng đích đến là yêu cầu rất cao, đặc biệt cây lúa mì có hệ gen khổng lồ. Tóm lại, CRISPR-Cereal tích hợp thông tin mang tính chất regulome và xem xét SNPs tại vùng có gRNAs ứng cử viên để nâng cao độc chính xác phục vụ chỉnh sửa gen hiệu quả cao cho cây lúa mì, lúa nước và cây bắp. 

Xem: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.13675

Thiết kế gRNA trong hệ thống CRISPR-Cereal.