Tuần tin khoa học 767 (13-19/12/2021)

Hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas không có DNA thể cho làm knockup hệ gen cây lúa

Nguồn: Yu Lu, Jiyao Wang, Bo Chen, Sudong Mo, Lei Lian, Yanmin Luo, Dehui Ding, Yanhua Ding, Qing Cao, Yucai Li, Yong Li, Guizhi Liu, Qiqi Hou, Tingting Cheng, Junting Wei, Yanrong Zhang, Guangwu Chen, Chao Song, Qiang Hu, Shuai Sun, Guangyi Fan, Yating Wang, Zhiting Liu, Baoan Song, Jian-Kang Zhu, Huarong Li & Linjian Jiang. 2021. A donor-DNA-free CRISPR/Cas-based approach to gene knock-up in rice.

Nature Plants 7, pages1445–1452 (2021); Published 15 November 2021

Những biến thiên về cầu trúc SVs (structural variations, ví dụ như đoản đoạn và lập đoạn, đóng góp quan trọng vào kiểu hình của những tính trạng cây trồng. Nghiên cứu “pan-genome” cho thấy rằng những SVs là lực mạnh cần thiết và có ở khắp nơi làm ra sự đa dạng di truyền. Cho dù công nghệ chỉnh sửa hệ gen có thể sáng tạo ra những SVs rất hiệu quả trong thực vật và động vật, nhưng tiềm năng của những SVs được thiết kế trong chọn tạo giống mới vẫn còn khá bế tắt. Ở đây, người ta chỉ ra rằng những gen mới và những tính trạng có thể được sáng tạo nên trong cây lúa bằng cách rthực hiện sự đảo đoạn phân tử lớn được thiết kế hoặc tạo sự lập đoạn qui mô lớn thông quaa hệ thống CRISPR/Cas9.Một đảo đoạn có kích thước 911 kb trên nhiễm sắc thể 1 cho kết quả trong promoter thiết kế đánh đổi giữa CP12 và PPO1, một phân tử lập đoạn có kích thước 338 kb giữa HPPD và Ubiquitin2 trên nhiễm sắc thể 2 đã tạo ra một cassett của gen mới tại điểm kết nối,  promoter _Ubiquitin2 :: HPPD. Bởi vì gen nguyên bản CP12 và Ubiquitin2 biểu hiện rất mạnh mẽ ở lá lúa, sự biểu hiện của PPO1 và HPPD trong cây lúa chỉnh sửa gen với alen SV đồng hợp tử, tăng lên gấy 10 lần, liên quan đến tính kháng thuốc diệt cỏ trên đồng ruộng mà không hề có ảnh hưởng bất lợi nào xảy ra đối với những tính trạng nông học quan trọng. Chỉnh sửa hệ gen bằng hệ thống CRISPR/Cas đối với kỹ thuật knock-ups gen đích hầu như được xem là rất khó thực hiện không không có donor DNA chèn vào như  những nguyên tố điều tiết (regulatory elements). Nghiên cứu này thách thức luận điểm bởi chiến lược cung cấp  donor-DNA-free (không có DNA của thể cho), do vậy, kết quả phát triển rộng rải  tiềm năng sử dụng hệ thống CRISPR/Cas trong cải tiến hệ gen thực vật và động vật.

Xem: https://www.nature.com/articles/s41477-021-01019-4

Đa dạng sinh học thực vật và tái sinh độ phì nhiêu đất

Nguồn: George N. Furey and David Tilman. 2021. Plant biodiversity and the regeneration of soil fertility. PNAS December 7, 2021 118 (49) e2111321118

SINH THÁI HỌC

Ý nghĩa khoa học:

Cả hai nội dung: đa dạng sinh học thực vật và độ phì nhiêu đất hiện đang có xu hướng suy giảm. Người ta thấy rằng: sự phục hồi đa dạng thực vật trên một nền đất nghèo dinh dưỡng, không phì nhiêu đã dẫn đến sự gia tăng lớn hơn độ phì nhiêu đất so với mô hình độc canh xùng một loài cây trồng nào đó. Loài thực vật trong thí nghiệm đa dạng sinh học này tương ứng với tính chất dinh dưỡng ở lớp đất mặt, ngăn ngừa bất cứ một loài thực vật nào đó, hoặc bất cứ một loài hình dưới loài, khỏi ảnh hưởng độ phì đất được ghi nhận. Kết quả này tác động đến sinh thái nông nghiệp bị suy thoái, cho thấy: gia tăng đa dạng sinh học mang tính chất chức năng rõ ràng có thể hồi phục lại độ phì đất. Những ứng dụng mang tính sáng tạo này đối với thảo nguyên chăn thả gia súc, những cây trồng che phủ đất, và hệ thống xen canh có thể cung cấp nhiều tiện ích mang tính chất GHG (greenhouse gas: phát thải khí nhà kính) từ quản lý carbon trong đất và làm giảm lượng phân bón cần phải bón vào để đạt năng suất tối ưu.

Kết qủa: Độ phì nhiêu đất (fertile soils) là tài nguyên thiên nhiên cần thiết cho nhân loài hơn 10.000 năm, nhưng cơ chế sinh môi học bao gồm sáng tạo và bảo tồn độ phì đất, đặc biệt là vai trò của đa dạng thực vật, chưa được người ta biết đến nhiều. Ở đây kết quả nghiên cứu này cho thấy thông qua thí nghiệm dài hạn về đa dạng thực vật, đất kém phì nhiêu nhằm xác định đa dạng sinh học đặc biệt là đa dạng mang tính chức năng của thực vật (plant functional biodiversity), đã tác động đến sự tái sinh độ phì nhiêu trên nền đất cát thoái hóa. Sau 23 năm, các lô thí nghiệm bao gồm 16 loài thực vật đa niên, đồng cỏ, liên quan đến độc canh những loài cùng tên, ∼30 đến 90% làm tăng lên nhiều hơn nitrogen trong đất, potassium, calcium, magnesium, khả năng trao đổi cation (CEC) và carbon;  kết quả có ∼150 đến 370% số lượng lớn hơn rất nhiều của N, K, Ca, và Mg trong sinh hkối thực vật. Kết quả cho thấy đa dạng sinh học, giống như sự kết hợp hài hòa năng sấut cây trồng tăng bởi đa dạng sinh học ngày càng cao hơn, dẫn đến độ phì đất của lớn hơn. Hơn nữa, những lô thí nghiệm có đa dạng có chức năng của thực vật, bao gồ đồng cỏ, cây học đậu, và cây lá to trên thảo nguyên (forbs), tích tụ lớn hơn rất nhiều các nguyên tố N, K, Ca, và Mg trong sinh khối chất dinh dưỡng (plant biomass and soil) nhiều hơn các lô chỉ có một đến ba nhóm chức năng. Loài thực vật trong các nhóm có chức năng (functional groups) biều hiện sự tương ứng giữa hàm lượng N trong mô cây, hàm lượng K trong mô cây, và sinh khối rễ, cho biết tại sao các loài từ những nhóm có 3 chức năng rất cần thiết cho tái sinh lại độ phì nhiêu đất. Kết quả này gợi ra rằng mọi nỗ lực bảo tồn C đất và độ phì nhiêu đất có thể được trợ giúp bởi việc sự dụng mang tính chất sáng tạo của đa dạng thực vật. Xem: https://www.pnas.org/content/118/49/e2111321118

Di truyền hàm lượng lysine của hạt Camelina sativa

Nguồn: Alex Huang, Cathy Coutu, Myrtle Harrington, Kevin Rozwadowski & Dwayne D. Hegedus. 2021. Engineering a feedback inhibition-insensitive plant dihydrodipicolinate synthase to increase lysine content in Camelina sativa seeds.  

Transgenic Research (2021) Published: 20 November 2021

Camelina sativa (camelina) phát triển như một loài cây trồng cho hạt có dầu thực vật bổ sung bởi vì nó có thời gian sinh trưởng ngắn, yêu cầu đầu tư thâm canh không cao, khả năng thích nghi tốt với mội trường kém thuận lợi và hàm lượng dầu hạt phù hợp cho sản xuất nhiên liệu sinh học (biofuel) và những ứng dụng khác trong công nghiệp. Khô dầu camelina (Camelina meal) và dầu hạt được đăng ký làm thức ăn chăn nuôi và thủy sản; tuy nhiên, như những loiại hình khô dầu lất từ mễ cốc và hạt có dầu khác, hạt camelina thiếu một số amino acid cần thiết, đặc biệt là lysine. Trong thực vật bậc cao, phản ứng xúc tác bởi dihydrodipicolinate synthase (DHDPS) là bước đầu tiên trong sinh tổng hợp lysine, bị khống chế bởi sự điều tiết do lysine thông qua cái gọi là ức chế phản hồi (feedback inhibition). Ở đây, người ta ghi nhận sự tăng cường hàm lượng lysine trong hạt C. sativa thông qua biểu hiện của loại hình ức chế phản hồi mang tính chất insensitive (không nhạy cảm) của DHDPS do vi khuẩn Corynebacterium glutamicums (CgDHDPS). Hai gen mã hóa C. sativa DHDPS đã được xác định và phân lập; enzyme nội sinh đặc biệt không nhạy cảm với sự ức chế lysine. Đột biến trức tiếp tại đích đến (site-directed mutagenesis) được sử dụng để xem xét tác động của những biến đổi, đơn độc và kết hợp, có trong isoforms của lysine-desensitized DHDPS trong protein của cây mô hình Arabidopsis thaliana DHDPS (W53R), Nicotiana tabacum (N80I) and Zea mays (E84K) đối với mức độ nhạy cảm của C. sativa DHDPS lysine. Khi du nhập vào một mình, mỗi lần thay đổi, tính nhạy cảm với lysine giảm đi; tuy nhiên, hoạt động chuyên tính của enzyme  cũng bị ảnh hưởng khá lớn. Có một minh chứng về bản chất phân tử và cấu trúc giữa những gốc hóa học cần thiết trong C. sativa DHDPS allosteric site đóng vai trò như phân tử song đôi (coupling) của đột biết W53R với đột biến N80V làm suy giảm mức độ nhạy cảm của lysine vào giai đoạn cuối, nhưng không đạt đến mức độ giống như đột biến một mình W53R. Hơn nữa, hoạt tính và sự nhạy cảm của lysine của đột biến thể ba (triple mutant) (W53R/N80V/E84T) giống như đột biến W53R một mình hoặc C. glutamicum DHDPS. Mức độ không nhạy cảm tích cực và mức độ nhạy cảm của hầu hết lysine thuộc biến thể C. sativa DHDPS variant (W53R) không bị ức chế bởi nghiệm thức free lysine cho đến mức 1 mM, so với enzyme của C. glutamicums. Hàm lượng lysine hạt gia tăng 13.6 -22.6% trong dòng chuyển nạp CgDHDPS;  7.6–13.2% trong dòng mCsDHDPS. Dòng tích lũy cao lysine có thể được sử dụng để sản sinh ra nguồn vật liệu thức ăn chăn nuôi ưu việt với hàm lượng amino acid được cải tiến.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-021-00291-6

Di truyền tính kháng bệnh scald trên cây lúa mạch theo phương pháp quy tụ gen kháng

Nguồn: Juho Hautsalo, Fluturë Novakazi, Marja Jalli, Magnus Göransson, Outi Manninen, Mika Isolahti, Lars Reitan, Bergersen, Lene Krusell, Charlotte Damsgård Robertsen, Jihad Orabi, Jens Due Jensen, Ahmed Jahoor, Therése Bengtsson & the PPP Barley Consortium. 2021. Pyramiding of scald resistance genes in four spring barley MAGIC populations. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134, pages 3829–3843

Phân tích GWAS (Genome-Wide Association Studies) trên tập đoàn giống lúa mạch được chuẩn bị theo phương pháp quần thể MAGIC bao gồm 4 nguồn vật liệu bố mẹ (Multi-parent Advanced Generation Inter-Cross) tại chín vùng trên nhiễm sắc thể 1H, 3H, 4H, 5H, 6H và 7H có liên quan đến tính kháng bệnh scald của cây lúa mạch (hình). Ba vùng trên hệ gen được giả định có mang QTL kháng. Barley scald do nấm Rhynchosporium commune gây ra, một đối tượng gây hại nghiêm trọng cho canh tác lúa mạch, triệu chứng biểu hiện trên lá. Bệnh làm thất thoát 40% năng suất, đặc biệt trên giống lúa mạch nhiễm bệnh. Bốn quần thể MAGIC được tạo ra theo dự án nghiên cứu Nordic Public–Private Pre-breeding of spring barley (PPP Barley) nhằm du nhập tính kháng đối với nhiều bệnh quan trọng cho cây lúa mạch. Ở đây, những quần thể MAGIC này bao gồm  6-8 founders, mỗi founder được xét nghiệm tính kháng bệnh scald trên đồng ruộng ở Phần Lan và Băng Đảo (Iceland). Tám mô phỏng toán học khác nhau được thực hiện trên hợp phương  sai so sánh bởi  GWAS, và những models như vậy có độ lệch chuẩn từ giá trị xác suất p theo qui định. Đối với tất cả QTL giả định, có những gen ứng cử viên được phân lập theo dự đoán bao gồm đánh giá phản ứng của pathogen. Con lai trong quần thể MAGIC bao gồm những haplotypes mới theo chỉ thị phân tử có ý nghĩa SNP, vơi mức độ kháng bệnh cao. Những dòng lúa mạch này có sự tích hợp thành công những gen đích điều khiển tính kháng bệnh scald và bệnh mildew;  những markers có ý nghĩa của nhà chọn giống tại Nordic; sẽ góp phần vào việc phát triển giống lúa mạch cao sản kháng bệnh scald.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03930-y

Hình 3: QTL được tìm thấy liên quan đến tính kháng bệnh scald. QTL mới được phân lập có màu tím; QTL được tìm thấy trong nghiên cứu có màu xanh lục; QTL trong danh mục tham khảo có màu xanh blue. Vạch màu đỏ là tâm động của nhiễm sắc thể. Vạch thẳng màu đen là vị trí của chỉ thị SNPs có ý nghịa. Mô phỏng của Morex 1.0 với sự trợ giúp của Grain Genes database.