Tuần tin khoa học 771 (10-16/01/2022)

Di truyền tính kháng bệnh đạo ôn liên quan đến NLR receptor

Nguồn: Yang Liu, Xin Zhang, Guixin Yuan, Dongli Wang, Yangyang Zheng, Mengqi Ma, Liwei Guo, Vijai Bhadauria, You-Liang Peng, Junfeng Liu. 2021. A designer rice NLR immune receptor confers resistance to the rice blast fungus carrying noncorresponding avirulence effectors. Proc Natl Acad Sci U S A (PNAS); 2021 Nov 2; 118(44): e2110751118.  

Các receptors (thụ thể) “nucleotide-binding” và “leucine-rich repeat” (NLR) ghi nhận những protein mang tên “avirulence effectors” một cách trực tiếp thông qua  những domain IDs của nó (integrated domains: IDs) hoặc gián tiếp thông qua effector-targeted proteins. Những nghiên cứu trước đây thành công trong việc tạo ra những phân tử designer NLR receptors với những phổ ghi nhận mới (recognition profiles) bằng con đường công nghệ di truyền làm ra những phân tử IDs hoặc những phân tử targeted proteins trên cơ sở hiểu biết trước đó của tương tác giữa những effectors với nhau. Tuy nhiên, thách thức đặt ra là làm sao thiết kế được một receptor thực vật mới có khả năng nhận biết những effectors có chức năng bởi những cơ chế bí ẩn nào đó. Nhiều thụ thể mới NLR immune của cây lúa bao gồm RGA5, có một domain mang tính chất integrated heavy metal-associated (HMA) nó có thể nhận biết gen Avrs của nấm Magnaporthe oryzae và những ToxB-like (MAX) effectors trong nấm gây bệnh đạo ôn lúa. Ở đây, các tác giả công trình khoa học này đã báo cáo một phân tử mới designer rice NLR receptor RGA5^HMA2 mang một domain thông qua thao tác di truyền, integrated HMA domain (RGA5-HMA2). Domain này có thể nhận biết được MAX effector AvrPib không tương ứng và liên quan đến tính kháng phụ thuộc RGA4 với các mẫu phân lập của nấm M. oryzae biểu hiện gen AvrPib, gen này về bản chất kích hoạt tính kháng đạo ôn trên cơ sở  Pib thông qua những cơ chế chưa được biết. Domain RGA5-HMA2 được sáng tạo ra trên cơ sở tính đồng dạng cao về cấu trúc của gen AvrPib với hai MAX effectors, AVR-Pia và AVR1-CO39, được nhận biết bởi RGA5-HMA cùng nguồn gốc, giao diện kết nối giữa AVR1-CO39 và RGA5-HMA, khác biệt trên bề mặt của AvrPib và RAG5-HMA. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng NLR receptors của cây lúa với domain HMA có thể được thao tác di truyền liên quan đến tính kháng xâm nhiễm của các mẫu phân lập nấm M. oryzae không tương thích, nhưng có những effectors MAX tương đồng về cấu trúc, điều ấy biểu thị tính khác trên cơ sở NLR receptor cùng nguồn gốc với cơ chế chưa biết. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp tiếp cận thực tiễn đề phát triển quần thể lúa đa dòng rice (multilines) và giống lúa có phổ kháng bệnh rộng bằng cách du nhập một series các thụ thể NLR được thao tác di truyền.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34702740/

GW10 là thành viên của họ protein P450 điều khiển tính trạng số hạt và kích thước hạt lúa

Nguồn: Penglin Zhan, Xin Wei, Zhili Xiao, Xiaoling Wang, Shuaipeng Ma, Shaojun Lin, Fangping Li, Suhong Bu, Zupei Liu, Haitao Zhu, Guifu Liu, Guiquan Zhang & Shaokui Wang. 2021. GW10, a member of P450 subfamily regulates grain size and grain number in rice. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134: 3941–3950

Một QTL có tên là GW10 định vị trên nhiễm sắc thể 10 theo kết quả map-based cloning, mã hóa họ phụ protein P450 (subfamily protein). Gen GW10 điều khiển tính trạng kích thước hạt và số hạt lúa thuộc chu trình BR.

Kích thước hạt thóc và số hạt thóc có vai trò cực kỳ quan trọng đến năng suất lúa. Người ta phân lập được GW10, mã hóa một họ phụ protein P450 và điếu tiết tính trạng kích thước hạt, số lượng hạt trên cơ sở giống lúa Lemont (japonica nhiệt đới) làm giống cho gen và giống HJX74 (indica) là giống tái tục. Locus GW10 được xác định trên bản đồ di truyền ở đoạn phân tử lớn 14.6 kb trong hệ gen cây lúa HJX74 ở vai nhiễm dài, nhiễm sắc thể10. Sự biểu hiện kém của gen gw10 trong bông lúa do kiểu hình hạt thóc ngắn và hẹp, số hạt trên bông tăng. Trái lại, sự biểu hiện mạnh mẽ của GW10 góp phần vào kiểu hình hạt dài và rộng. Hơn nữa, mức độ biểu hiện gen càng cao, sinh tổng hợp brassinosteroid (BR) càng lớn và phản ứng của những gen liên quan đến NIL-GW10. Sự nhạy cảm của tính trạng góc lá lúa đến BR ngoại sinh của NIL-GW10 thường thấp hơn trong quần thể NIL-gw10 và KO-GW10, điều này nhấn mạnh đến  gen  GW10 có trong sự điều tiết brassinosteroid đối với tính trạng kích thước và số hạt thóc.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03939-3

Sự tiến hóa của hệ gen cây chuyển nạp transgenic đối với côn trùng

Nguồn: Katherine L. Taylor, Kelly A. Hamby, Alexandra M. DeYonke, Fred Gould, and Megan L. Fritz. 2021. Genome evolution in an agricultural pest following adoption of transgenic crops. PNAS December 28, 2021 118 (52) e2020853118

Sự tiến hóa của tính kháng để quản lý những phương pháp canh tác nông nghiệp trở nên khá phổ biến toàn cầu và làm giảm sự thất thoát có ý nghĩa kinh tế. Sự phát hiện sớm tính kháng sâu hại cây trồng gây tổn thất đáng kể sẽ giúp chúng ta nhiều tiện ích trong nông nghiệp. Người ta giả định rằng: những phương pháp tiếp cận mới về hệ gen có thể dẫn dắt các tín hiệu phân tử về tính kháng xuất hiện ở đâu đó, rồi kích hoạt các nỗ lực tiếp theo để ngăn ngừa tổn thất lan rộng. Người ta thẩm định lại giả thuyết ấy bằng cách thay đổi hệ gen mang tính chất định tính đối với sâu đục thân bắp Helicoverpa zea trong suốt 15 năm liên tục với giống bắp thương mại hóa transgenic mang gen của vi khuẩn Bacillus thuringiensis. Kết quả chứng minh tính chất phức tạp của tự nhiên về tiến hóa trong hệ thống sinh thái nông nghiệp, cung cấp kiến thức về khả năng và cạm bẫy trong khi sử dụng phương pháp genomics để theo dõi tính kháng sâu hại.

Việc thay thế thuốc trừ sâu hóa học bằng giống cây trồng biến đổi gen (transgenic crops) để quản lý sâu hại cây trồng vừa kinh tế, vừa thân thiện môi trường, nhưng lợi ích như vậy có bị mất dần hay không trong giả định tính kháng có tiến hóa. Người ta cho rằng: những phương pháp mới về genomics có thể theo dấu vết phân tử của tính kháng phát sinh nhắm giúp choviệc quản lý tính kháng hiệu quả. Muốn xét nghiệm được, người ta định tính cách hợp phần của thay đổi về genomics sâu hại bắp Helicoverpa zea, sâu thuộc bộ cánh vảy (Lepidoptera) và giống bắp transgenic chuyển nạp gen độc tố từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt), giữa 2002 và 2017 trên cả nội dung thích nghi cây trồng Bt và tính kháng tăng lên ở Bắc Mỹ. Kỹ thuật genomic scans hệ gen sâu H. zea đi liền với phân tích QTL, cho thấy kiến trúc mang tính chất genomic của tính kháng bởi Cry1Ab bị tiến hóa trên đồng ruộng biểu hiện tính chất polygenic, giống như từ biến thiên di truyền tại chổ. Tính kháng của tích hợp 2 toxin: Cry1A.105 và Cry2Ab2 được kiểm soát bởi một vài loci. Trong số 11 gen Bt kháng sâu, có 9 gen biểu hiện thay đổi không đáng kể teho thời gian hoặc ảnh hưởng chính về tính kháng này. Người ta không thể rút ra một quy luật  về sự đóng góp của những men  aminopeptidases (apns), như một cluster di truyền của gen apn tìm thấy trong một QTL của Cry. Những tín hiệu phân tử về xuất hiện tính kháng Bt được tìm thấy vào đầu những năm 2012 trong mẫu thí nghiệm này, người ta thảo luận về khả năng và những cái bẫy của kỹ thuật whole-genome analysis khi theo dõi tính kháng trên cơ sở các kết quả này. Đây là nghiên cứu đầu tiên về tính kháng của gen Bt được tiến hóa ra sao, thông quan GWAS trên cơ sở các mẫu giống được thu thập trên đồng ruộng; chúng minh rằng cần phải tiếp cận vấn đề một cách toàn diện hơn để xem xét khả năng thích nghi nhanh chóng của  áp lực chọn lọc mới trong các hệ sinh thái nông nghiệp.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/52/e2020853118

Hình 2: Tính đa dạng giữa các hệ gen  trong vùng chứa gen Cry liên quan đến hệ gen sâu H. zea.

Di truyền tính kháng đạo ôn phổ rộng và chống chịu khô hạn của cây lúa

Nguồn: Maria Gay C Carrillo, Federico Martin, Mukund Variar, J C Bhatt, Alvaro L Perez-Quintero, Hei Leung, Jan E Leach, Casiana M Vera Cruz. 2021. Accumulating candidate genes for broad-spectrum resistance to rice blast in a drought-tolerant rice cultivar. Sci Rep. ; 2021 Nov 2;11(1):21502.

Những stress sinh học, bao gồm bệnh hại cây trồng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất lúa, đến nhu cầu tiêu dùng gạo của toàn thế giới. Hiểu biết những phản ứng có tính chất số lượng của tính kháng đối với nguồn pathogen hết sức đa dạng như vậy có thể dẫn dắt người ta phát triển được những chỉ thị phân tử đáng tin cậy, mà những chỉ thị ấy kết hợp với việc hình thành ra quần thể hồi giao cải tiến, có thể thúc đẩy nhanh ra nhiều giống lúa cao sản kháng bệnh đạo ôn. Một gen ứng cử viên CG (candidate gene) có thể được sử dụng để tăng cường những QTL kháng bệnh từ giống lúa Moroberekan, giống cung cấp tính kháng bệnh đạo ôn, vào giống lúa Vandana, giống chống chịu khô hạn tốt. Con lai của quần thể hồi giao cải tiến (advanced backcross) được đánh giá kiểu hình tính kháng bệnh đạo ôn và tính chống chịu khô hạn ở 5 địa điểm tại Ấn Độ và Philippines. Chỉ thị phân tử trên cơ sở gen kháng được thiết kế để xác định hiện tượng du nhập các alen của giống lúa Moroberekan đối với 11 gen ứng cử viên (11 CGs). Sáu gen CGs, mã hóa chitinase, HSP90, oxalate oxidase, germin-like proteins, peroxidase và thaumatin-like protein. Có 21 chỉ thị phân tử SSR liên quan có ý nghĩa với tính kháng bệnh đạo ôn trên sàng lọc con lai. Đa dòng với những kết hợp klhác nhau xảy ra, các phân nhóm (classes) và số gen CGs được kết hợp ở mức độ có ý nghĩa thống kê đối với tính kháng không chuyên tích nòi (race non-specific resistance) bệnh đạo ôn và bệnh đốm vằn. Nhìn chung, mức độ kháng bệnh khá hiệu quả theo kết quả nhiều địa điểm khảo nghiệm tương ứng với số alen của gen ứng cử viên tích hợp lại trong những dòng lúa ưu việt. Những dòng lúa kháng bệnh này duy trì được tính chống chịu khô hạn ở gia đoạn cây lúa phát dục, và áp lực bệnh đạo ôn cao.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34728643/

Hình 3

Cây gia hệ “Neighbor-joining” được tạo ra nhờ thuật toán khoảng cách Gower giữa các dòng lúa F₆ trên cơ sở giá trị tương đồng. Đánh giá kiểu gen các intermated lines bằng 60 SSR markers trên 5 nhiễm sắc thể mục tiêu  và 10 CG markers (hộp đen) cho thấy giá trị đồng dạng lớn hơn đối với giống lúa Vandana (1-vàng) so sánh với giống Moroberekan (2-xanh blue); một vài vùng mục tiêu biểu thị dị hợp (3-màu xanh lá cây nhạt), trong khi cái khác không khớp với những classes ở trên (4- màu xanh lá cây đậm). Đương thẳng tích hợp các vùng đích của giống Moroberekan hoàn thiện tốt hơn trong điều kiện thanh lọc nương mạ đạo ôn tại Almora (phải). Đường giống nhau  biểu hiện năng suất cao hơn trong điều kiện bị áp lực bệnh đạo ôn rất nặng. Kết quả xử lý khô hạn cho thấy tại IRRI rất nhất quán theo giống Vandana. Chi (Chitinase), OXO (Oxalate Oxidase), ar (Aldose reductase), thau7 (Thaumatin like), pox (Peroxidase), oxlp (Germin-like protein), HSP90 (Heat shock protein 90), PR1 và PR10 (Pathogenesis-related genes).