Tuần tin khoa học 769 (27/12/2021 - 2/1/2022)

GWAS  phân tích di truyền tính chống chịu mặn giống lúa bản địa Việt Nam

Nguồn: Thao Duc Le, Floran Gathignol, Huong Thi Vu, Khanh Le Nguyen, Linh Hien Tran, Hien Thi Thu Vu, Tu Xuan Dinh, Françoise Lazennec, Xuan Hoi Pham, Anne-Aliénor Véry, Pascal Gantet, Giang Thi Hoang. 2021. Genome-Wide Association Mapping of Salinity Tolerance at the Seedling Stage in a Panel of Vietnamese Landraces Reveals New Valuable QTLs for Salinity Stress Tolerance Breeding in Rice. Plants (Basel); 2021 May 28;10(6):1088.  

Tính trạng chống chịu mặn của cây lúa bao gồm nhiều cơ chế rất đa dạng và mang tính bổ sung cho nhau, ví dụ sự điều hòa thế hiện trong hệ gen, hoạt động của những hệ thống vận chuyển ion đặc biệt để quản lý lượng sodium dư thừa ở tế bào hoặc toàn bộ cây lúa. Những thay đổi về giải phẩu học cầu hình cơ quan, giúp cây lúa tránh sự xâm nhiễm mặn vào bên trong cây. Cơ chế mang tính chất bổ sung cho nhau như vậy có thể hoạt động một cách hệ thống để cải tiến tính chống chịu mặn của cây, mà các chương trình cải tiến giống lúa có xu hướng tích hợp những QTL mang tính chất bổ sung cho nhau ấy để cải tiến tính chống chịu stress mặn ở các gia đoạn tăng trưởng phát triển khác nhau, tại những địa điểm canh tác khác nhau. Phương pháp tiếp cận này đặt giả định là phân lập những QTLs chống chịu mặn liên quan đến những cơ chế khác nhau, cần phải có nền tảng đa dạng di truyền lớn nhất để các nhà chọn giống khai thác. Mốn đóng góp vào mục đích chung như vậy, các tác giả tiến hành sàng lọc tập đoàn giống bản địa gồm 179 mẫu giống của Việt Nam, đáng giá kiểu gen thông qua chỉ thị SNP với 21.623 markers đối với chống chịu stress mặn, nghiệm thức xử lý 100 mM NaCl, ở giai đoạn mạ, nhẳm xác định được những QTLs mới bao gồm  tính chống chịu stress mặn thông qua GWAS (genome-wide association study). Chín tính trạng nông học có liên quan đến chống chịu mặn được đánh giá kliểu hình, bao gồm thang điểm chống chịu mặn, hàm lượng diệp lục và hàm lượng nước, K⁺ và Na⁺ tích tụ trên lá lúa. Kết quả phân tích GWAS cho phép người ta phân lập được 26 QTLs. Đáng chú ý là, 10 QTL trong số ấy liên quan đến nhiều tính trạng khác nhau, cho thấy những QTL ấy biểu hiện di truyền đa tính trạng (pleiotropic) để điều khiển mức độ chống chịu khác nhau khi cây phản ứng với mặn. 21 QTLs đồng vị trí tại những vùng QTLs đã được biết. Nhiều gen có trong 3 QTLs này biểu hiện chức năng gắn với chống chịu stress mặn, chủ yếu trong chức năng điều tiết gen biểu hiện, sự truyền tín hiệu hoặc tín hiệu hormone. Kết quả này khẳng định những QTLs triển vọng phục vụ chương trình lai tạo giống lúa nhằm tăng cường tính chống chịu mặn và phân lập các gen ứng cử viên. Nghiên cứu cung cấp kiến thức tốt hơn cơ chế chống chịu mặn của cấy lúa.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34071570/

Di truyền tính kháng bệnh héo cây củ cải đỏ do nấm Fusarium

Nguồn: Yinbo Ma, Sushil Satish Chhapekar, Lu Lu, Xiaona Yu, Seungho Kim, Soo Min Lee, Tae Hyoung Gan, Gyung Ja Choi, Yong Pyo Lim & Su Ryun Choi. 2021. QTL mapping for Fusarium wilt resistance based on the whole-genome resequencing and their association with functional genes in Raphanus sativus. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134: 3925–3940

Hai QTL chủ lực  liên quan đến tính kháng bệnh héo rủ FW (Fusarium wilt) được phân lập thông qua phương pháp whole-genome resequencing (chạy trình tự toàn hệ gen lập lại). Những biến thiên của trình tự và mức độ biểu hiện gen cho thấy TIR-NBS và LRR-RLK là những gen ứng cử viên liên quan đến tính kháng bệnh FW.

Bệnh héo rủ FW (Fusarium wilt) do nấm Fusarium oxysporum f. sp. raphani gây ra. Đây là bệnh hại nghiêm trọng cho cây củ cải đỏ (radish), làm thiệt hại năng suất đáng kể và giảm phẩm chất. Giống YR4 là nguồn di truyền mới kháng bệnh FW được xác định thông qua kết quả sàng lọc với 5 mẫu phân lập của pathogen. Người ta hình thành nên quần thể con lai  F₂ và  F_2:3 phân ly biểu hiện tính kháng FW của cá thể so với dòng cận giao YR4 và YR18. Triệu chứng bệnh được đánh giá trong quần thể F_2:3  (n = 180) trong 3 nghiên cứu độc lập nhau, hai năm. Người ta xác định có 4 QTL như sau:

Hai QTL chủ lực (FoRsR7.1^59A và FoRsR9.3^59A). FoRsR7.1^59A và FoRsR9.3^59A được tìm thấy trong thí nghiệm có 3 lần nhắc lại. FoRsR7.1^59A định vị trên đoạn phân tử có độ lớn là 2.18-Mb nhiễm sắc thể R07, với giá trị LOD cao (5.17–12.84) và giải thích được biến thiên kiểu hình (9.34%–27.97%). FoRsR9.3^59A biểu thị giá trị LOD thấp (3.38–4.52), giải thích biến thiên kiểu hình (6.24%–8.82%). Trên cơ sở dữ liệu “re-sequencing” của các dòng bố mẹ, người ta xác định năm gen giả định liên quan đến tính kháng và 13 gen chưa biết với biên thiên trình tự ở mức độ gen và ở mức độ protein.

Phân tích bằng kỹ thuật semi-quantitative RT-PCR cho thấy Rs382940 (TIR-NBS) và Rs382200 (RLK) chỉ biểu hiện trong giống củ cải đỏ ‘YR4’ từ 0 đến 6 ngày phơi nhiễm thông qua chủng nấm bệnh vào.

Bên cạnh đó, gen Rs382950 (TIR-NBS-LRR) biểu hiện cao trong giống ‘YR4’ từ 3 đến 6 ngày sau khi chủng bệnh. Ba gen này có thể quan trọng quyết định tính kháng bệnh FW của cây radish. Người ta xác định được nhiều markers trên cơ sở những gen ứng cử viên ấy. Chúng rất hữu dụng cho chương trình cải tiến giống củ cải đỏ kháng bệnh FW từ nguồn ‘YR4’.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03937-5

Thành phần thành tế bào của cây Pollia condensata

Nguồn: Yin Chang, Rox Middleton, Yu Ogawa, Tom Gregory, Lisa M. Steiner, Alexander Kovalev, Rebecca H. N. Karanja, Paula J. Rudall, Beverley J. Glover, Stanislav N. Gorb, and Silvia Vignolini. 2021. Cell wall composition determines handedness reversal in helicoidal cellulose architectures of Pollia condensata fruits. PNAS December 21, 2021 118 (51) e2111723118

Kiến trúc xoắn ốc (helicoidal architectures) rất phổ biến trong tự nhiên; nhiều loài thực vật thích ứng cấu trúc này để sản sinh ra nhiều màu sắc rực rỡ. Ví dụ cấu trúc “chiral” thường xoắn theo hướng trái của cây, chỉ có một ngoại lệ được tìm thấy trong các thành tế bào của tế bào biểu bì (epicarp cells) cây Pollia condensata, trong cây ấy, có cả hai kiểu xoắn trái phải đều hiện diện. Ở đây, các tác giả nhằm tìm hiểu nguồn gốn của cách xoắn “handednesses” này bằng cách phân tích phản ứng quang phổ và phản ứng cơ học của những tế bào đơn. Thật ngạc nhiên, tác giả tìm thấy tế bào left-handed và right-handed được phân bố hết sức khác biệt nhau theo quang phổ (spectra) và theo tính đàn hồi (elasticity). Người ta minh chứng điều này bằng cách sử dụng phân tích hàm nguyên tố xác định (finite element analysis) trong đó độ đàn hồi của xoắn helicoids nhạy cảm với tỷ lệ cellulose/tập họp thành tế bào (cell wall matrix). Kết quả cho thấy rằng các thành phần trong thành tế bào có ảnh hưởng đến câu trúc xoắc ốc, như vậy, thành phần hóa học đóng vai trò quan trọng trong phát sinh  hình thái (morphogenesis) của cấu trúc chirality reversal.

Xem https://www.pnas.org/content/118/51/e2111723118

Di truyền tính chống chịu hạn của cây lúa thông qua biểu hiện gen OsNAC5

Nguồn: Seung Woon Bang,Seowon Choi,Xuanjun Jin,Se Eun Jung,Joon Weon Choi,Jun Sung Seo,Ju-Kon Kim. 2021. Transcriptional activation of rice CINNAMOYL-CoA REDUCTASE 10 by OsNAC5, contributes to drought tolerance by modulating lignin accumulation in roots. Plant Biotechnology Journal; 17 November 2021; https://doi.org/10.1111/pbi.13752

Khô hạn là stress phi sinh học thường gặp nhất cho thực vật trên trái đất này, ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất và phát triển cây trồng. Những nghiên cứu gần đây cho thấy lignin có vai trò quan trọng để cây chống chịu khô hạn  plant drought tolerance; tuy nhiên cơ chế phân tử của tính chống chịu này vẫn chưa được biết rõ ràng. Ở đây, các tác giả công trình nghiên cứu  này tiến hành trên cây lúa (Oryza sativa); khai thác gen CINNAMOYL-CoA REDUCTASE 10 (OsCCR10) được hoạt hóa trực tiếp bởi yếu tố phiên mã OsNAC5, nó đóng vai trò trung gian chống chịu khô hạn thông qua điều tiết hàm lượng lignin tích tụ. CCR là enzyme đầu tiên trong lộ trình tổng hợp monolignol, và sự biểu hiện của 26 gen CCR được người ta quan sát làm kích thích rễ lúa phát triển trong điều kiện khô hạn. Các xét nghiệm định vị ở quy môi dưới tế bào (subcellular) cho thấy rằng OsCCR10 là một enzyme xúc tác tích cực, định vị trong tế bào chất. Phân tử transcript OsCCR10 được tìm thấy để làm gia tăng phản ứng của cây đối với stress phi sinh học, như khô hạn, mặn nhiều, và abscisic acid (ABA), những phân tử transcripts này được tìm thấy trong rễ lúa ở tất cả giai đoạn phát triển. Hoạt tính của enzyme in vitro và in vivo xử lý thanh phần lignin cho kết quả rằng OsCCR10 có trong chu trình sinh tổng hợp H- và G-lignin. Cây lúa transgenic biểu hiện mạnh mẽ gen OsCCR10 chứng minh cải tiến được tính chống chịu khô hạn ở giai đoạn tăng trưởng, làm hiệu quả quang hợp tốt hơn, làm tỷ lệ mất nước thấp hơn, và làm hàm lượng lignin tăng cao hơn trong rễ lúa so với cây lúa non-transgenic (NT) làm đối chứng. Trái lại, chỉnh sửa gen đích theo hệ thống CRISPR/Cas9-để tạo dòng đột biến OsCCR10 knock-out biểu hiện sự suy giảm hàm lượng lignin tích tụ trong rễ, làm cây lúa kém chống chịu khô hạn hơn. Đáng chú ý là, cây lúa transgenic có biểu hiện mạnh mẽ ở rễ lúa OsCCR10 có năng suất hạt cao hơn cây lúa NT đối chứng trong điều kiện xử lý nghiệm thức khô hạn ngoài đồng, cho thấy sinh tổng hợp lignin qua trung gian của OsCCR10 góp phần rất đáng kể vào chống chịu khô hạn.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/pbi.13752