Tuần tin khoa học 779 (07-13/03/2022)

Di truyền tính trạng hình dáng củ cà rốt thông qua GWAS

Nguồn: Scott H. Brainard, Shelby L. Ellison, Philipp W. Simon, Julie C. Dawson & Irwin L. Goldman. 2022. Genetic characterization of carrot root shape and size using genome-wide association analysis and genomic-estimated breeding values. Theoretical and Applied Genetics February; vol. 135: 605–622

Những chỉ thị kiểu hình chính thức theo xấp loại thị trường củ cà rốt là kích cỡ và hình dạng của cà rốt. Tính trạng số lượng ấy do các gen tương tác theo kiểu cộng tính (additive) và đa gen.

Kích cỡ và hình dạng của cà rốt là những determinants (chỉ thị) đầu tiên, không chỉ quyết định năng suất mà còn quyết định xếp nhóm giá trị trên thị trường. Những kiểu hình di truyền số lượng ấy trong lịch sử chọn giống từng là thách thức cho nhà chọn giống đánh giá, và rồi trở thành phẩm chất đánh giá bằng mắt thường của người tiêu dùng, biến thành market class. Đánh giá kiểu hình như vậy là việc đầu tiên trong chọn giống có tính trạng mong muốn. Tuy nhiên, những tiến bộ trong trong kỹ thuật số phân tích ảnh gần đây cho thấy khả năng rất cao trong định tính và định lượng kích cỡ và hình dạng của cà rốt. Do đó, bây giờ nó hoàn toàn khả thi để sử dụng những phương pháp hiện đại này trong phân tích di truyền, để nghiên cứu điều khiển di truyền của tính trạng hình thái rễ này. Kết luận, nghiên cứu này sử dụng cả phương pháp GWAS (genome wide association analysis) và phương pháp GEBVs (genomic-estimated breeding values), đồng thời chỉ ra được những tiêu chí của market class là các tính trạng di truyền số lượng, cũng như ảnh hưởng của nhiều QTL khác có ảnh hưởng bé. Những thành phần tương đối lớn của phương sai di truyền kiểu additive (cộng tính) đối với những kiểu hình từng phần như vậy trợ giúp rất lớn cho khả năng dự đoán chính xác của phương pháp GEBVs; khả năng dự đoán trung bình thông qua những tính ttrạng thuộc về market class với hệ số tương quan 0.67. GWAS xác định được đa QTL đối với bốn kiểu hình bao gồm tính trạng market class: như chiều dài củ, tỷ lệ dài;rộng của củ, chiều ngang tối đa, và độ đầy của củ, một tính trạng chưa được định tính trước đó, mà nó đặc trưng cho thành phần độc lập đối với kích cỡ củ cà rốt / hình dáng củ cà rốt. Kết hợp phân tích hình ảnh số (digital image analysis) và GWAS, GEBVs, người ta giới thiệu một tiến bộ mới trong kiến thức hiện đại về điều khiển di truyền tính trạng qui định market class của củ cà rốt. Việc áp dụng trong thực tế và biến thiên xảy ra trong sàng lọc di truyền (genomic selection) tính trạng carrot market class cũng được mô tả trong bài viết này. Những hướng dẫn cụ thể để thiết kế quần thể có thuật ngữ “training populations” cũng được cung cấp.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03988-8

Sự nẩy mầm hạt đậu nành và điều tiết của jasmonic acid bởi GmAOC4

Nguồn: Wei Zhang, Wenjing Xu, Songsong Li, Hongmei Zhang, Xiaoqing Liu, Xiaoyan Cui, Li Song, Yuelin Zhu, Xin Chen & Huatao Chen. 2022.  GmAOC4 modulates seed germination by regulating JA biosynthesis in soybean. Theoretical and Applied Genetics; February 2022; vol. 135: 439–447

Người ta xác định hệ men allene oxide cyclase 4, GmAOC4, thông qua GWAS và RT-PCR phối hợp với nhau rất có ý nghĩa trong xem xét sự nẩy mầm của hạt đậu nành, và qui định quá trình điều tiết nẩy mầm ấy bởi tăng cường tích lũy hàm lượng JA.

Pha nẩy mầm hạt đậu nành là giai đoạn hết sức cực trọng của chu kỳ sống cây đậu nành, một hiểu biết tốt hơn về cơ chế ấy thật vô cùng cần thiết. Các tác giả nghiên cứu đã sử dụng GWAS (genome-wide association study) để tìm thấy một tín hiệu GWAS trên nnhiễm sắc thể 18. Trong tín hiệu GWAS này, chỉ thị SNP S18_56189166 định vị trong quãng 3’ vùng không dịch mạ của gen Glyma.18G280900, gen này mã hóa allene oxide cyclase 4 (có tên là GmAOC4). Kết quả phân tích real-time PCR chứng minh rằng: các mức độ biểu hiện của gen GmAOC4 trong giống đậu nành có tỷ lệ nẩy mầm thấp (KF, mang chỉ thị SNP S18_56189166-T) biểu hiện gen cao hơn giống đậu nành có tỷ lệ nẩy mầm cao (NN, mang chỉ thị SNP S18_56189166-C). Trong cả hai giống đậu nành, giống KF có hàm lượng JA cao hơn giống NN ở thời điểm 0 và 24 giờ sau khi xử lý (imbibition). Bên cạnh đó, sự biểu hiện mạnh mẽ gen GmAOC4 dẫn đến kết quả làm tăng hàm lượng jasmonic acid (JA) ở rễ lông hút đậu nành và cây Arabidopsis thaliana. Hơn nữa, người ta còn tìm thấy dòng đậu nành mang gen GmAOC4-OE biểu thị ít nẩy mầm hơn cây đậu nành nguyên thủy WT (wild type) trong điều kiện bình thường đối với cây mô hình Arabidopsis. Bảy ngày sau khi xử lý ABA, các dòng cây transgenic biểu hiện tỷ lệ nẩy mầm thấp hơn và mức độ biểu hiện gen AtABI5 cao hơn so với dòng nguyên thủy WT, ngần ấy cho thấy sự biểu hiện mạnh mẽ của gen GmAOC4 dẫn đến kết quả siêu nhạy cảm với ABA. Kết quả chứng minh rằng GmAOC4, tăng cường nhiều hơn sự tích lũy JA, giúp cho sự điều tiết hạt đậu nành nẩy mầm.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03974-0.

Phân tích hệ gen đỉnh rễ lúa về tính trạng thích ứng với stress do thiếu nước

Nguồn: Somayeh Abdirad, Mohammad Reza Ghaffari, Ahmad Majd, Saeed Irian, Armin Soleymaniniya, Parisa Daryani, Parisa Koobaz, Zahra-Sadat Shobbar, Laleh Karimi Farsad, Parisa Yazdanpanah, Amirhossein Sadri, Mehdi Mirzaei, Zahra Ghorbanzadeh, Mehrbano Kazemi, Naghmeh Hadidi, Paul A. Haynes and Ghasem Hosseini Salekdeh. 2022. Genome-Wide Expression Analysis of Root Tips in Contrasting Rice Genotypes Revealed Novel Candidate Genes for Water Stress Adaptation. Front. Plant Sci., 21 February 2022 | https://doi.org/10.3389/fpls.2022.792079

Kiến trúc hệ thống rễ RSA (root system architecture) là một tính trạng nông học quan trọng có vai trò sống còn của năng suất cây trồng trong điều kiện bị stress bởi nước. Hệ thống rễ ăn sâu và phân nhánh có thể giúp cây tránh được stress nước bằng cách cho phép chúng hút nhiều nước hơn và tiếp cận nguồn dinh dưỡng nhiều hơn. Tuy nhiên, kiến thức của chúng ta về di truyền và những cơ chế kiểm soát ở mức độ phân tử vẫn còn rất ít đối với RSA. Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành phân tích khả năng đáp ứng của transcriptome ở đỉnh rễ lúa (root tips) đôi với stress nước của hai giống lúa thí nghiệm: IR64, giống lúa nước cao sản, đại diện cho giống lúa nhiễm khô hạn, rễ cạn; giống lúa Azucena, giống cổ truyền, lúa cạn, chống chịu khô hạn, hệ thống rễ sâu. Người ta thu thập các mẫu từ 3 vị trí (zones: Z) của root tip: Hai vị trí consecutive 5 mm sections (Z1 và Z2), một vị trí following next 10 mm section (Z3), mang sinh mô đỉnh (meristematic) và vùng trưởng thành (maturation regions). Kết quả cho thấy rằng:  Z1 của Azucena chứa rất nhiều gen bao gồm sự kiện phân bào và chu kỳ sống của tế bào, và tính trạng tăng trưởng & phát triển rễ root; trong khi đó rễ của giống lúa IR64, phản ứng với stress có tính chất oxidative khá mạnh mẽ. Khi phát triển hệ thống rễ theo chiều ngang, rễ sử dụng chiến lược theo cách của cả hai giống lúa nếu gặp trường hợp thiếu nước, đặc biệt là giống Azucena. Kết quả gợi ra rằng bằng cách tăng cường tế bào sinh mô đỉnh, thành tế bào dầy lên, phục vụ cách ly tốt hơn, như là cách đối diện với stress, giống nhiễm khô hạn IR64 có thể giảm khả năng mọc dài của rễ để hút nước ở tầng sâu hơn dưới đất. Hơn nữa, nhiều thành viên của họ gen NAC, AP2/ERF, AUX/IAA, EXPANSIN, WRKY, và MYB xuất hiện như những players chủ lực trong kiến trúc rễ RSA và thích nghi với khô hạn. Ngươi ta còn tìm thấy họ gen HSP và HSF tham gia vào ức chế oxidative stress ở đỉnh rễ lúa IR64. Phân tích QTL (meta-quantitative trait loci) cho thấy 288 gen biểu hiện hết sức khác biệt nhau đồng vị trí với những RSA QTLs đã được công bố trước đây trong nghiệm thức xử lý khô hạn và nghiệm thức đối chứng. Kết quả này cho phép nghiên cứu sâu hơn vai trò có thể có của thích ứng với khô hạn. Nhìn chung, kết quả phân tích chỉ ra được những khác biệt ở mức độ phân tử giữa giống lúa Azucena và IR64, giải thích phần nào về phản ứng khác nhau về tăng trưởng rễ đối với stress nước. Dường như giống Azucena tránh né được water stress thông qua việc tăng cường tăng trưởng và khai thác rễ tiếp cận với nước, trong khi đó IR64 chủ yếu năm yên ở trạng thái cách lý (cell insulation) để duy trì được nước và hệ thống antioxidant nhằm chống chịu lại stress. Người ta xác định được một số lớn các kiểu kiến trúc rễ mới (novel RSA) và các gen ứng cử viên liên quan đến chịu khô hạn.

See https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2022.792079/full

Di truyền tính kháng ký sinh Orobanche cumana Wallr của cây hướng dương nhờ gen Or_Deb2 

Nguồn: Mónica Fernández-Aparicio, Lidia del Moral, Stéphane Muños, Leonardo Velasco & Begoña Pérez-Vich. 2022. Genetic and physiological characterization of sunflower resistance provided by the wild-derived Or_Deb2 gene against highly virulent races of Orobanche cumana Wallr. Theoretical and Applied Genetics; Feb. 2022; vol. 135: 501–525

Cỏ chổi (sunflower broomrape) sống ký sinh ở bộ rễ cây hóa hướng dương.

Or_Deb2 là gen kháng ký sinh của loài cỏ chổi Orobanche cumana và định vị tại vùng có độ lớn phân tử 1.38 Mbp mang một cluster của gen mã hóa receptor-like kinase và receptor-like protein với 9 gen ứng cử viên có độ tin cậy cao.

Cỏ chổi là loài cây sống ký sinh trên cây hóa hướng dương (sunflower broomrape) là thực vật có bản chất holoparasitic angiosperm chúng ký sinh trên rễ hướng dương, gây tổn thất nặng nề năng suất hướng dương. Chọn tạo giống hướng dương kháng Orobanche cumana là cách thức hiệu quả nhất trong quản lý thiệt hại này. Gen Or_Deb2 là một gen kháng, tính trội, có trong giống hướng dương canh tác, dẫn xuất từ một loài hoang dại có liên quan gần về di truyền. Gen này kháng với các nòi có độc tính cao của broomrape. Mục tiêu nghiên cứu: (i) định vị trí Or_Deb2 trong hệ gen cây hướng dương và xác định các gen giả định; (ii) định tính cơ chế tính kháng. Con lai của quần thể phân ly lai giữa hai giống: giống kháng DEB2, mang gen Or_Deb2, giống nhiễm được đánh giá kiểu hình kháng broomrape trong 4 thí nghiệm, bao gồm những địa điểm khác nhau và hai nòi địa lý cỏ chổi (broomrape races: nòi F_GV và nòi G_TK). Quần thể con lai được đánh giá kiểu gen nhờ chỉ thị phân tử microsatellite và SNP, cho phép định vị Or_Deb2 trong đoạn phân tử có độ lớn 0.9 cM  ở vai trên của nhiễm sắc thể 4. Quãng phân tử tương ứng với 1.38 Mbp của vùng hệ gen so với genome tham chiếu cây hướng dương, nơi ấy có một cluster of genes mã hóa protein LRR (leucine-rich repeat) receptor-like proteins thiếu một domain có tính chất cytoplasmic kinase  và  receptor-like kinases với một hoặc hai kinase và thiếu một vùng extracellular LRR, được xem như ứng cử viên của Or_Deb2. Nghiên cứu rhizotron và mô học cho thấy:  gen Or_Deb2 xác định một phản ứng kháng mang tính chất post-attachment, nó khóa lại hoạt động phát triển của cỏ chổi  O. cumana chủ yếu tại vùng vỏ (cortex) trước khi chúng hình thành nên cái gọi là host-parasite vascular connections (mạch tiếp nối giữa ký chủ và ký sinh). Kết quả cung cấp kiến thức về tương tác giữa cây trồng và cỏ dại ký sinh cây trồng (parasitic weeds), xây dựng chiến lược lai tạo giống kháng trên cơ sở di truyền tính kháng và cung cấp những công cụ hữu ích phục vụ chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, cũng như Or_Deb2 map-based cloning.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03979-9

Hình 1: Bản đồ di truyền thuộc kiểu “linkage” tại nhiễm sắc thể 4 của hệ gen cây hướng dương mang gen Or_Deb2. ORS prefix là chỉ thị SSR marker loci; SFW prefix là SNP marker loci trên bản đồ di truyền của Bowers et al. (2012); AX prefix là SNP marker loci của  600 k AXIOM® array phát triển tại LIPME-INRAE (Toulouse, France); và Iasnip prefix là chỉ thị SNP markers được phát triển trong nghiên cứu này từ những gen ứng cử viên sunflower NB-LRR resistance. Hình trái: bản đồ hoàn chỉnh. Hình phải: bản đồ mang tính chất  refined map của vùng Or_Deb2. Khoảng cách tính bằng centiMorgans.