Tuần tin khoa học 780 (14-20/03/2022)

GWAS tính trạng chống chịu khô hạn và chịu nóng của cây bắp

Nguồn: Osuman AS, Badu-Apraku B, Karikari B, Ifie BE, Tongoona P, Danquah EY. 2022. Genome-Wide Association Study Reveals Genetic Architecture and Candidate Genes for Yield and Related Traits under Terminal Drought, Combined Heat and Drought in Tropical Maize Germplasm. Genes (Basel). 2022 Feb 15;13(2): 349. doi: 10.3390/genes13020349.

Sản xuất bắp (Zea mays L.) có hai trở ngại lớn là khô hạn và nhiệt độ nóng. Sự kết hợp của hai loại hình stress này ngày càng nghiêm trọng. Để chọn tạo giống bắp cao sản có khả năng chống chịu khô hạn và nóng, người ta nghiên cứu 162 mẫu giống bắp cận giao ở nhiệt đới trong nghiệm thức xử lý kết hợp khô hạn và nóng (CHD), và nghiệm thức khô hạn ở gia đoạn cuối (TD). Mô phỏng toán học đa tuyến (mixed linear) được ứng dụng trong GWAS (genome-wide association study), với 7834 chỉ thị SNP và nhiều cơ sở dữ liệu kiểu hình, bao gồm ngày tung phấn 50% (AD) và trổ râu (SD), husk cover (HUSKC), năng suất hạt (GY). Nhìn chung, số chỉ thị SNP là 66, 27, và 24 liên quan đến các tính trạng, theo thứ tự đánh giá trên nghiệm thức CHD, TD, và nghiệm thức kết hợp. Trong số các chỉ thị ấy, 4 SNP markers (SNP_161703060 trên Chr01, SNP_196800695 trên Chr02, SNP_195454836 trên Chr05, và SNP_51772182 trên Chr07) ảnh ảnh hưởng di truyền đa tính trạng (pleiotropic effects) đối với AD và SD trong nghiệm thức CHD. Bốn chỉ thị SNPs (SNP_138825271 (Chr03), SNP_244895453 (Chr04), SNP_168561609 (Chr05), và SNP_62970998 (Chr06)) liên quan đến AD, SD, và HUSKC trong nghiệm thức TD. Mười hai gen ứng cử viên bao gồm những nguyên tố điều tiết phytohormone cis-acting được chỉ rõ trong sữ kiện điều tiết phản ứng của cây bắp với stress có tính chất đa dạng bao gồm nóng và khô hạn. Các chỉ thị SNPs này và các gen ứng cử viên được người ta xác định trong kết quả nghiên cứu. Tất cả sẽ cung cấp thông tin có giá trị phục vụ tạo giống bắp cao sản, thông minh phát triển vùng nhiệt đới theo sau những minh chứng bởi chỉ thị SNP markers.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35205393/

Hình 4: Manhattan plots (trái) và quantile–quantile (QQ) plots (phải) tính trạng số bắp/cây.

Di truyền tình chống chịu khô hạn của cây bắp ở giai đoạn cây con và giai đoạn trổ

Nguồn: Xuejing Zi, Shiyong Zhou, Bozhi Wu. 2022. Alpha-Linolenic Acid Mediates Diverse Drought Responses in Maize ( Zea mays L.) at Seedling and Flowering Stages. Molecules; 2022 Jan 25;27(3):771.  

Thiếu nước cho cây là vấn nạn của hạn hán kéo dài, một trong những stress phi sinh học nghiêm trọng nhất cho cây bắp. Các loại hình khô hạn khác nhau đều gây cho cây bắp hết sức khó khăn trong tăng trưởng và phát triển cũng như cơ chế biến dưỡng thực vật. Trong những nghiên cứu trước đó, proteomics và genomics được ứng dụng rộng rải để giải thích cơ chế phản ứng của cây bắp đối với khộ hạn kéo dài, nhưng chỉ có rất ít công trình khoa học liên quan đến metabolomics (biến dưỡng học). Kết quả nghiên cứu này tiến hành phân tích transcriptome và metabolomics để định tính những ảnh hưởng khác biệt đặc thù của stress khô hạn ở giai đoạn cây con (seedling) hoặc giai đoạn trổ bông (flowering). Thông qua phân tích di truyền “association” của gen đích và cơ chất biến dưỡng (metabolites), người ta thấy rằng: lá bắp có 61 chu trình biến dưỡng rất phong phú khi khô hạn ở giai đoạn cây con và và 54 chu trình ở giai đoạn trổ. Trong đó, 13 chu trình là key pathways ở gđ seedling và 11 chu trình ở gđ flowering, hầu hết có liên quan đến sinh tổng hợp flavonoids và phenylpropanes, biến dưỡng glutathione metabolism và purine. Thú vị là, chu trình biến dưỡng α-linolenic acid khác biệt có ý nghĩa  giữa hai nghiệm thức, có 10 gen DEGs (differentially expressed genes) và 5 cơ chất biến dưỡng DAM (differentially abundant metabolites) được người ta phân lập. Sự tích tụ có tính chất khác biệt đặc thù của cơ chất biến dưỡng DAM (differential accumulation of metabolites) được gắn liền với sự tổng hợp jasmonic acid, đây có thể là một trong những key pathways giúp cây bắp phản ứng với nhiều loại hình khô hạn kéo dài. Nhìn chung, metabolomics cung cấp cho chúng ta một phương pháp mới để nghiên cúu stress khô hạn trong cây bắp và đặt nền tảng lý thuyết về canh tác kháng khô hạn của cây bắp.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35164035/

Polyamine oxidase 3 và tính trạng chống chịu mặn cây lúa ở giai đoạn nẩy mầm và mạ

Nguồn: Guangyu Liu, Wanxia Jiang, Lei Tian, Yongcai Fu, Lubin Tan, Zuofeng Zhu, Chuanqing Sun, Fengxia Liu. 2022. Polyamine oxidase 3 is involved in salt tolerance at the germination stage in rice. J Genet Genomics; 2022 Feb 7;S1673-8527(22)00036-4.

Đất mặn ức chế sự nẩy mầm hạt và làm giảm tỷ lệ cây mạ sống sót, làm giảm đáng kể năng suất lúa. Ở đây, người ta xác định polyamine oxidase, OsPAO3, có liên quan đến tính trạng chống chịu mặn ở giai đoạn nẩy mầm của cây lúa (Oryza sativa L.), thông qua kỹ thuật map-based cloning. OsPAO3 được điều tiết theo kiểu “up” trong điều kiện stress mặn ở giai đoạn nẩy mầm, biểu hiện mạnh mẽ trong nhiều cơ quan cây lúa. Sự biểu hiện mạnh mẽ của OsPAO3 làm tăng hoạt động của polyamine oxidases, tăng cường hàm lượng polyamine trong tử diệp của hạt thóc. Polyamine tăng có thể dẫn đến việc thúc đẩy hoạt động của enzyme mang tính chất ROS-scavenging để giảm thiểu H₂O₂ tích tụ quá mức cho phép và giảm hàm lượng ion Na⁺ trong tử diệp hạt thóc để duy trì trạng thái bảo hòa  ion homeostasis và làm suy yếu sự tổn thương bởi Na⁺. Những thay đổi này làm chống chịu mạnh tốt hơn ở giai đoạn lúa nẩy mầm. Kết quả không chỉ  cung cấp một gen mới mà còn giúp cho người ta hiểu rõ cơ chế chống chịu mặn của cây lúa, để cải tiến giống lúaa cao sản chống chịu mặn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35144028/

Di truyền tính chống chịu mặn của lúa hoang Oryza longistaminata

Nguồn: Lei Yuan, Licheng Zhang, Xiao Wei, Ruihua Wang, Nannan Li, Gaili Chen, Fengfeng Fan, Shaoying Huang, Jianxiong Li, Shaoqing Li. 2022. Quantitative Trait Locus Mapping of Salt Tolerance in Wild Rice Oryza longistaminata. Int J Mol Sci.; 2022 Feb 21;23(4):2379.  

Stress mặn là một trong những vấn đề nghiêm trọng bậc nhất trong môi truòng canh tác lúa; gia đăng mức độ mặn hóa trở nên cực trọng là yếu tố hiểm nguy cho sản lượng lúa toàn cầu. Trong nghiên cứu này, người ta thực hiện hồi giao tạo nên quần thể con lai cận giao BIL (backcross inbred line), dẫn xuất từ  cặp lai giống 9311 x lúa hoang Oryza longistaminata để phân lập được loci di truyền của hệ gen cây lúa hoang O. longistaminata đối với tính trạng chống chịu mặn. Có tất cả 27 quantitative trait loci (QTLs) liên quan đến chống chịu mặn được phân lập trong 140 dòng lúa BILs, và 17 QTLs hình thành nên 7 QTL clusters trên 12 nhiễm sắc thể. Trong đó, 18 QTLs dẫn xuất từ lúa hoang O. longistaminata,  một QTL đối với tính trạng SIS (salt injury score: thang điểm chống chịu mặn), hàm lượng nước ở cây mạ (WCS) trong nghiệm thức xử lý mặn, và hệ số nước tương đối trong cây mạ RWCS (relative water content of seedlings) được tìm thấy sau nhiều phân tích lập lại; định vị ở cùng vị trí trên nhiễm sắc thể 2, một cytochrome P450 86B1 (MH02t0466900) được gợi ý như là một gen ứng cử viên đáp ứng với chống chịu mặn trên cơ sở kết quả chạy trình tự DNA và phân tích biểu hiện gen. Kết quả đã xây dựng nền tảng lý luận phục vụ cải tiến giống lúa cao sản chống chịu mặn thông qua molecular breeding trong tương lai.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35216499/

Hình 3: QTLs được xác định trong hệ gen cây lúa hoang O. longistaminata đối với tính trạng chống chịu mặn. Bên trái là scale đối với chiều dài di truyền của mỗi nhiễm sắc thể. Hướng chỉ lên là locus của O. longistaminata, hướng chỉ xuống là locus của giống lúa 9311. Màu xanh blue là QTLs được tìm thấy trong thí nghiệm đầu tiên, màu đó là QTLs được tìm thấy trong thí nghiệm lần thứ hai. cM, centi-Morgan.