Tuần tin khoa học 762 (08-14/11/2021)

Di truyền phẩm chất trái dưa leo

Nguồn: Kiros Gebretsadik, Xiyan Qiu, Shaoyun Dong, Han Miao & Kailiang Bo. 2021.  Molecular research progress and improvement approach of fruit quality traits in cucumber. Theoretical and Applied Genetics November 2021; vol. 134:  3535–3552.

Những nghiên cứu ở mức độ phân tử nhấn mạnh đến nhiều cơ hội mới để người ta cải tiến phẩm chất trái dưa leo. Tuy nhiên, cơ sở sinh học phân tử của màu sắc trái và tính trạng gai quả chưa rõ ràng cho dù nguồn vật liệu giống bố mẹ rất đa dạng di truyền.

Dưa leo là loài cây thuộc nhóm nông sản rau xanh có gía trị dinh dưỡng, kinh tế và nông học quan trọng. Trung Quốc sản xuất ba phần tư sản lượng dưa leo toàn cầu. Phẩm chất trái dưa  tùy thuộc vào những tính trạng nông học như  màu sắc trái (màu vỏ và thịt qủa), gai trên trái (mật độ, kích cỡ và màu sắc), dạng trái dưa, kích cỡ trái, dị dạng, độ giòn, độ cứng, độ ngon ngọt, giai đoạn trưởng thành của trái và thành phần dưỡng chất trong trái dưa. Màu trái và gai trái là hai tính trạng được xác định là quy định phẩm chất trái dưa leo quan trọng; chúng được chú ý nhiều nhất bởi các nhà nghiên cứu ở mức độ phân tử. Đáng giá cơ chế phân tử của tính trạng phẩm chất trái dưa leo trở nên quan trọng để cải tiến sản lượng và phẩm chất giống dưa leo cao sản. Những gen và  QTL quy định phẩm chất trái như màu sắc và gai quả dưa đã và đang được phân lập. Mục đích của công trình nghiên cứu này là xác định những tiến bộ trong nghiên cứu ở mức độ phân tử về màu sắc và gai trái dưa leo. Những chỉ thị phân tử và gen được xác định cho đến nay có thể giúp nhà chọn giống thực hiện chiến lược MAS (chọn giống nhờ chỉ thị phân tử) đối với tính trạng màu sắc và gai quả dưa leo, kết hợp với cải tiến phẩm chất dinh dưỡng. Trên cơ sở kết quả nhiều nghiên cứu trước đây, màu sắc vỏ trái và mật độ gai trên trái, người ta đề nghị cách tiếp cận tiến bộ hơn đối với cải tiến tính trạng phẩm chất trái dưa leo. Bên cạnh đó, những markers và gen có thể hữu ích để dễ dàng hơn trong sàng lọc di truyền dựa trẹn kỹ thuật dòng hóa gen (cloning) trong cây dưa leo. Tuy nhiên, do biến đổi khí hậu, gia tăng dân số toàn cầu, nhu cầu phẩm chất ngày càng cao, nên nghiên cứu này trên những cơ sở phân tử đối với tính trạng phẩm chất trái dưa leo vẫn còn những hạn chế nhất định.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03895-y

Thực hiện “fine mappping” gen AhRt1 quy định màu vỏ lụa đậu phộng

Nguồn: Hao Chen, Xiangyu Chen, Rirong Xu, Wenjing Liu, Nian Liu, Li Huang, Huaiyong Luo, Dongxin Huai, Xinlong Lan, Yumei Zhang, Runfang Hu, Jianhong Chen, Zhaoxiu Tang, Guoqiang Lin & Huifang Jiang. 2021. Fine-mapping and gene candidate analysis for AhRt1, a major dominant locus responsible for testa color in cultivated peanut.  Theoretical and Applied Genetics November 2021; vol. 134: 3721–3730

Gen AhRt1 điều khiển tính trạng màu vỏ lụa đỏ (red testa color) của đậu phông. Gen này được tiến hành phân tích “fine-mapped” ở quãng phân tử có độ lớn 580 kb trên nhiễm sắc thể A03, và một gen khác mã hóa yếu tố phiên mã bHLH.  Chúng được xác định là những gen ứng cử viên.

Giống đậu phông có vỏ lụa màu đỏ biểu hiện giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao hơn giống đậu phông cổ truyền có vỏ lụa màu tím. Người ta xác định những gen điều khiển tính trạng red testa color, điều này sẽ làm phát triển tốt hơn chương trình lai tạo giống mới, trên cơ sở cơ chế di truyền được xác định. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta muốn phân lập gen đích quy định tính trạng red testa color của đậu phụng, một quần thể con lai F₂ được phát triển từ cặp lai giữa giống đậu phông có vỏ lụa màu tím “Fuhua 8” với một giống có vỏ lụa đỏ “Quanhonghua 1”. Phân tích di truyền từ quần thể F₂ cho thấy rằng: tính trạng red testa color được điều khiển bởi một gen trội. Locus này có tên là AhRt1 (Arachis hypogaea Red Testa 1), locus này lần đầu tiên được phân lập trên nhiễm sắc thể A03 thông qua kỹ thuật chạy BSA-sequencing. Sử dụng quần thể con lai đang phân ly, gen AhRt1 được "fine-mapped" ở vùng có độ lớn phân tử 580-kb thông qua phương pháp substitution mapping. Phân tích gen ứng cử viên cho thấy có một gen được dự đoán mã hóa yếu tố phiên mã bHLH. Đây có thể là một gen ứng cử viên đối với AhRt1. Một chỉ thị phân tử có tính chất diagnostic liên kết chặt chẽ với gen ứng cử viên này cũng được phát triển để minh chứng  kết quả fine-mapping trong những quần thể con lai khác và trong ngân hàng vật liệu giống đậu phông. Phát hiện của tác giả công trình này sẽ có lợi cho chương trình cải tiến giống đậu phụng để phát triển giống mới có vỏ lụa màu đỏ và đặt nền tảng cho  map-based cloning gene đáp ứng với mục tiêu cải tiến đậu phông có vỏ lụa hạt đỏ.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03924-w

Gen mã hóa yếu tố phiên mã R2R3 MYB kích hoạt bất dục đực giống đậu nành ms6

Junping Yu, Guolong Zhao, Wei Li, Ying Zhang, Peng Wang, Aigen Fu, Limei Zhao, Chunbao Zhang & Min Xu. 2021. A single nucleotide polymorphism in an R2R3 MYB transcription factor gene triggers the male sterility in soybean ms6 (Ames1). Theoretical and Applied Genetics November 2021; vol. 134: 3661–3674

Xác định gen và phân tích chức năng gen điều khiển tính trạng bất dục đực MS6 trong cây đậu nành Glycine max.

Đậu nành (Glycine max (L.) Merr.) là loài cây trồng quan trọng của thế giới, cung cấp dầu thực vật và protein làm thức ăn chính của người và động vật. Chương trình tạo giống ưu thế lai dựa trên cơ sở bất dục đực  là phương pháp rất triển vọng để sản xuất giống ưu thế lai, đáp ứng nhu cầu của thế giới. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta xác định được một locus male sterile trong cây đậu nành, MS6, bằng cách kết hợp phương pháp chạy trình tự quần thể BSA (bulked segregant analysis sequencing) với kỹ thuật map-based cloning. Gen MS6, biểu hiện ở mức độ cao trong túi phấn, mã hóa protein đóng vai trò yếu tố phiên mã R2R3 MYB ( gen GmTDF1-1). Gen này tương đồng với Tapetal Development and Function 1, một yếu tố chủ chốt để phát triển túi phấn trong cây Arabidopsis và cây lúa. Alen bất dục đực ms6 (Ames1) là alen đột biến theo kiểu missense mutation, dẫn đến kết quả vị trí leucin thứ 76^th bị thay thế bởi histidine trong phân tử  DNA binding domain của protein GmTDF1-1. Sự biểu hiện của gen MS6 trong cây đậu nành dười sự kiểm soát của  promoter gen AtTDF1 có thể phục hồi tính bất dục đực của alen  attdf1 nhưng ms6 thì không thể. Bên cạnh đó, sự biểu hiện mạnh mẽ của ms6 trong cây Arabidopsis nguyên thủy, không ảnh hưởng đến sự phát triển của túi phấn. Kết quả này minh chứng rằng GmTDF1-1 là phân tử đồng dạng của TDF1 có chức năng rõ ràng và L76H làm xáo trộn chức năng của nó. Đáng chú ý là, GmTDF1-1 biểu hiện 92% chuỗi trình tự với một protein khác của đậu nành có tên là GmTDF1-2, mà sự biểu hiện tích cực của protein ấy phục hồi phấn hóa của attdf1. Tuy nhiên, GmTDF1-2 biểu hiện một cách nguyên tắc một cách rất thấp trong cây đậu nành, do vậy, không thể bù trừ khi có sự khiếm khuyết của MS6. Phân tích chu trình phát triển túi phấn của cây có TDF1 cho thấy: sự biểu hiện của gen dưới nguồn (genes downstream) của TDF1 ức chế đáng kể gen ms6, khẳng định GmTDF1-1 là một yếu tố phiên mã cực kỳ quan trọng điều tiết sự phát triển túi phấn đậu nành.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03920-0

Di truyền tính trạng ngủ nghỉ của hạt lúa (miên trạng)

Nguồn: Jin Shi, Jianxin Shi, Wanqi Liang & Dabing Zhang. 2021. Integrating GWAS and transcriptomics to identify genes involved in seed dormancy in rice. Theoretical and Applied Genetics November 2021; vol. 134: 3553–3562 

Nhiều QTLs và gen có chức năng điều khiển tính trạng ngủ nghỉ của hạt lúa (miên trạng) được tìm thấy và những chỉ thị ứng cử viên SNP candidates cũng được người ta công bố.

Miên trạng (seed dormancy) là tính trạng nông học chủ yếu giúp ngăn cản sự mọc mầm trên bông khi ẩm độ không khí cao của cây lúa (Oryza sativa L.), lúa mì (Triticum aestivum), lúa mạch (Hordeum vulgare L.). Tuy nhiên, kiến thức của người ta về miên trạng vẫn còn hạn chế bởi mức độ phức tạp của nghiên cứu tính trạng này luôn thay đổi theo thời gian sau khi thu hoạch hạt, và nó rất phức tạp bởi sự tương tác giữa các phytohormones, những hợp chất trong vỏ lụa bao hạt gạo, môi trường bên ngoài. Theo công trình nghiên cứu này, người ta thực hiện phân tích GWAS (genome-wide association study) tập đoàn giống lúa bao gồm 311 mẫu giống (accessions) lúa trồng, xem xét 519.158 chỉ thị phân tử SNP. Tám QTLs được tìm thấy có liên quan đến miên trạng trong tập đoàn giống lúa này và năm QTLs từ tập đoàn phụ trợ Japonica và Indica (subpanel); sự biểu hiện của những gen ứng cử viên nằm trong quãng phân tử có kích thước 100 kb của mỗi QTL được người ta xem xét trong hai bộ cơ sở dữ liệu được công bố, đólà cơ sở dữ liệu phiên mã đặc biệt trong trường hợp miên trạng. Mười gen ứng cử viên được phân lập, biểu hiện rất khác biệt nhau trong 4 ngày đầu tiên sau khi hút ẩm (post-imbibition). Năm gen trong số 10 gen ấy liên kết với gen điều khiển tính trạng chiều dài râu hạt, ngày trổ bông, năng suất, và chiều dài hoa lúa. Hai gen ứng cử viên được minh chứng thông qua kết quả qRT-PCR [Quantitative Reverse Transcription]. Bên cạnh đó, những gen đã được xác định trước đây có trong sự truyền tín hiệu hormone khi hạt nẩy mầm cũng được tìm thấy biểu hiện rất khác nhau giữa cây lúa japonica với cây lúa indica; chỉ thị phân tử SNPs liên kết với promoter của Os9BGlu33 liên quan đến chỉ số nẩy mầm, nhờ minh chứng bởi kết quả qRT-PCR. Nhìn chung, kết quả nghiên cứu này rất hữu ích cho định tính trong tương lai về miên trạng và cải tiến giống, kết quả còn gợi ra rằng những haplotypes phục vụ phân tích sâu hơn có thể được sử dụng để làm tăng cường tính kháng PHS trong cây lúa rice.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03911-1

Nghiên cứu receptor NLR trong hệ miễn dịch đối với effectors nấm gây bệnh đạo ôn lúa.

Nguồn: Yang Liu, Xin Zhang, Guixin Yuan, Dongli Wang, Yangyang Zheng, Mengqi Ma, Liwei Guo, Vijai Bhadauria, You-Liang Peng, and Junfeng Liu. 2021. A designer rice NLR immune receptor confers resistance to the rice blast fungus carrying noncorresponding avirulence effectors.

PNAS November 2, 2021 118 (44) e2110751118

Ý nghĩa khoa học:

Trong nghiên cứu này, người ta tạo ra một đột biến receptor miễn dịch NLP (rice nucleotide-binding and leucine-rich repeat) có thuật ngữ khoa học là RGA5 bằng cách thao tác kỹ thuật di truyền vùng domain của nó mang kim loại nặng mà domain này xác định phân tử noncorresponding Magnaporthe oryzae Avrs và ToxB-like effector AvrPib; nó liên quan đến tính kháng của cây lúa chuyển nạp gen đối với các isolates của nấm gây bệnh đạo ôn cây lúa với gen không độc tính AvrPib, gen ấy được biết là tác nhân kích hoạt tính kháng bệnh của các giống lúa mang gen kháng R, tên là Pib, cho dù cơ chế chưa được biết rõ. Do vậy, công trình nghiên cứu này chứng tỏ rằng những receptors NLR của thực vật tích hợp trong domain có thể được thao tác kỹ thuật di truyền liên quan đến tính kháng những pathogens mang các effectors không độc tính, chúng kích hoạt sự miễn dịch thực vật bằng những cơ chế chưa được biết, mở ra cách tiếp cận cụ thể để phát triển đa dòng và giống có tính kháng bệnh phổ rộng đối với nhiều nòi.

Tóm tắt

Receptors thực vật NLR (nucleotide-binding and leucine-rich repeat) xác định trực tiếp những effectors không độc tính (avirulence effectors) thông qua các IDs của chúng (integrated domains) hoặc gián tiếp thông qua những proteins nhắm đến effector đích. Những nghiên cứu trước đây thành công trong thao tác di truyền sáng tạo ra những receptors NLR có tính chất “thiết kế” (designer NLR receptors) với các phổ xác định mới thông qua thao tác di truyền trên domains tích hợp (IDs) hoặc những protein mục tiêu trên cơ sở hiểu biết trước đây về tương tác giữa những effectors. Tuy nhiên, đây chưa phải thách thức để thiết kế một receptor thực vật mới có khả năng xác định các effectors có chức năng bởi những cơ chế còn bí ẩn. Nhiều receptors NLR trong hệ miễn dịch cây lúa, bao gồm RGA5, sở hữu một domain kết hợp với kim loạii nặng tên là HMA (heavy metal–associated). Domain này xác định gen không độc tính tương ứng Avrs của nấm Magnaporthe oryzae và những effectors ToxB-like (MAX) trong nấm gây bệnh đạo ôn cây lúa. The kết quả nghiên cứu, người ta đã có một designer rice NLR receptor  với thuật ngữ là RGA5^HMA2 mang một domain tích hợp HMA trong kỹ thuật di truyền (RGA5-HMA2). Phân tử này có thể xác định MAX effector AvrPib không tương ứng và có liên quan đến tính kháng tùy thuộc vào RGA4 đối với các mẫu phân lập nấm M. oryzae biểu hiện gen AvrPib, sự kiện ấy kích hoạt tận gốc tính kháng bệnh đạo ôn do gen Pib thông qua những cơ chế bí ẩn. Phân tử domain RGA5-HMA2 trên cơ sở mức độ tương đồng về cấu trúc rất cao với gen AvrPib có hai effectors MAX, gen AVR-Pia và AVR1-CO39, được xác định bởi RGA5-HMA, sự kết gắn ấy giữa AVR1-CO39 và RGA5-HMA, cũng như bề mặt khác biệt mang gen AvrPib và RAG5-HMA. Kết quả chứng minh rằng receptors NLR của cây lúa có domain HMA có thể được thao tác di truyền để tạo ra tính kháng với các mẫu phân lập của nấm M. oryzae không tương thích nhưng có cấu trúc tương đồng với MAX effectors, những effectors ấy tạo ra hiểu biết mới của chúng ta về tính kháng trên cơ sở NLR receptor mà cơ chế còn bí ẩn. Kết quả nghiên cứu còn cung cấp một phương pháp cụ thể  để phát triển quần thế lúa đa dòng (multilines) và giống có phổ kháng rộng với các nòi gây bệnh thông qua kỹ thuật du nhập một series các phân tử receptors có tính chất NLR đã được thao tác di truyền.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/44/e2110751118

Hình 5: RGA4/RGA5^HMA2 liên quan đến tính kháng đặc biệt của cây lúa transgenicđối với bệnh đạo ôn, nấm bệnh mang gen AvrPib.