Tuần tin khoa học 782 (04-10/04/2022)

Đa dạng di truyền ngân hàng gen GGA^tA^t của hệ gen cây lúa mì

Nguồn: Ekaterina D. Badaeva, Fedor A. Konovalov, Helmut Knüpffer, Agostino Fricano, Alevtina S. Ruban, Zakaria Nguồn: Kehel, Svyatoslav A. Zoshchuk, Sergei A. Surzhikov, Kerstin Neumann, Andreas Graner, Karl Hammer, Anna Filatenko, Amy Bogaard, Glynis Jones, Hakan Özkan & Benjamin Kilian. 2022. Genetic diversity, distribution and domestication history of the neglected GGA^tA^t genepool of wheat. Theoretical and Applied Genetics; March 2022; vol. 135: 755–776

Một điều tra mới nhất về tính đa dạng di truyền tế bào và hệ gen của GGA^tA^t genepool cây lúa mì, từ đó, người ta mở khóa mật mã  nguồn tài nguyên di truyến ấy phục vụ cải tiến giống lúa mì.

Năng suất lúa mì hiện đang ở trạng thái đứng yên (stagnating) trên toàn thế giới. Nguồn gen mới của lúa mì kháng hoặc chống chịu stress phi sinh học rất cần thiết hiện nay. Trong ngữ cảnh ấy, lúa mì hoang dại tứ bội thể luôn là những ứng cử viên chủ chốt phục vụ nội dung cải tiến giống lúa mì. Mặc dù giá trị tiềm năng lớn như vậy cho cải tiến giống, nhưng tetraploid GGA^tA^t genepool vẫn còn chưa được quan tâm nhiều. Sự hiểu biết về kiến trúc quần thể này, mức độ phân bố ở địa phương, biên thiên di truyền trong loài của tất cả tetraploid GGA^tA^t genepool và lịch sử tiến hóa của chúng sẽ được người ta sử dụng hiệu quả trong cải tiến giống lúa mì. Kết quả nghiên cứu cung cấp cho cuộc điều tra đầu tiên về đa dạng mang tính chất genomic (hệ gen) và cytogenetic (di truyền tế bào) với số mẫu thu thập từ nguồn vật liệu lúa mì làm bánh mì và mức độ khai thác sâu hơn nguồn tetraploid GGA^tA^t genepool ấy. Theo kết quả, nguồn extant GGA^tA^t genepool này có ba lineages khác biệt nhau. Người ta cung cấp thêm chi tiết về hợp phần di truyền tế bào của lúa mì GGA^tA^t, cho thấy: những chỉ thị phân tử có tính chất nhóm (group) và có tính chất quần thể đặc thù ( population-specific markers). Kết quả còn cho thấy cách thức sắp xếp nhiễm sắc thể có vai trò quan trọng trong mức độ đa dạng trong loài (intraspecific diversity) loài T. araraticum. Nguồn gốc và lịch sử thuần hóa của những GGA^tA^t lineages như vậy được thảo luận theo ngữ cảnh có trong kết quả tìm thấy được mang tính chất state-of-the-art archaeobotanical. Các tác giả cung cấp thông tin mới về lịch sử tiến hóa rất phức tạp  của  GGA^tA^t wheat genepool và cung cấp luận cứ cơ sở về sử dụng GGA^tA^t wheat genepool phục vụ cải tiến giống lúa mì. Kết quả này nhấn mạnh đến sự hiểu biết thấu đáo hơn về nguồn gốc nông nghiệp vùng Tây Nam Á Châu.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03912-0

 “Dhurrin” trong điều khiển tính kháng sâu hại và tăng trưởng cây non của cao lương

Nguồn: Shelby M. Gruss, Manoj Ghaste, Joshua R. Widhalm & Mitchell R. Tuinstra. 2022. Seedling growth and fall armyworm feeding preference influenced by dhurrin production in sorghum. Theoretical and Applied Genetics; March 2012; vol. 135: 1037–1047

Cyanogenic glucosides (CGs) có vai trò chủ chốt trong hệ thống bảo vệ cây chủ chống lại sự xâm nhiễm của côn trùng phá hại; tuy nhiên, những tradeoffs về biến dưỡng xảy ra giữa tổng hợp chất CGs và sự tăng trưởng của cây vẫn chưa được biết rõ ràng. Trong nghiên cứu này, những đột biến di truyền sóng đôi (coupling) với kỹ thuật đánh giá kiểu hình mang tính chất không phá hại (nondestructive) được người ta sử dụng để nghiên cứu tác động của CG dhurrin đối với sâu xanh hại cao lương  fall armyworm [Spodoptera frugiperda (J.E. Smith)] (viết tắt là FAW) và sự tăng trưởng của cây cao lương [Sorghum bicolor (L.) Moench]. Một đột biến di truyền trong gen CYP79A1 làm đột phá sinh tổng hợp dhurrin được sử dụng để phát triển một quần thể con lai  NILs (near-isogenic lines), có hàm lượng dhurrin rất trái ngược nhau trên nền tảng di truyền Tx623 bmr6. Các dòng con lai gần như đẳng gen ấy NILs được đánh giá tính khác biệt về tăng trưởng của cây cao lương và chỉ số FAW do sâu xanh cắn phá, trong nghiệm thức ở nhà lưới, có lập lại; và trong nghiệm thức ở ngoài đồng. Kết quả nghiên cứu trong nhà lưới cho thấy cây cao lương không có dhurrin-free Tx623 bmr6 cyp79a1 tăng trưởng nanh hơn cây nguyên thủy (wild-type) nhưng nhiễm sâu hại nặng hơn trên cơ sở thay đổi nghiệm thức GPA (green plant area: diệ tích cây xanh), diện tích lá tổng số, tổng lượng chất khô theo thời gian. Các dòng  NILs biểu hiện các thành phần giống  nhau về tăng trưởng trong nghiệm thức ngoài đồng với khác biệt có ý nghĩa về chỉ số diện tích lá và tổng lượng chất khô của cây không có dhurrin giữa nghiệm thức có thả sâu và nghiệm thức không thả sâu. Tổng hợp lại, kết quả nghiên cứu này khẳng định tradeoff biến dưỡng có ý nghĩa xảy ra giữa sinh tổng hợp CG và sự tăng trưởng cây cao lương plant trong giai đoạn cây con. Sự đột phá sinh tổng hợp dhurrin cho kết quả cây cao lương có tốc độ tăng trưởng cao hơn cây nguyên thủy WT nhưng những cây này đều nhiễm nặng hơn FAW feeding.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-04017-4

CsSMR1 mã hóa protein có chức năng tăng trưởng và tính trạng cây lùn của dưa leo

Nguồn: Shuai Li, Qiqi Zhang, Huimin Zhang, Jie Wang, Jinjing Sun, Xueyong Yang, Sanwen Huang & Zhonghua Zhang. 2022. Deletion of a cyclin-dependent protein kinase inhibitor, CsSMR1, leads to dwarf and determinate growth in cucumber (Cucumis sativus L.). Theoretical and Applied Genetics; March 2022; vol. 135: 915–927

Mất đoạn phân tử 7.9 kb mang  cyclin-dependent protein kinase inhibitor dẫn đến kết quả tăng trưởng có mức độ và kiểu hình cây dưa leo lùn.

Kiến trúc cây là một tính trạng tích hợp (composite character) chủ yếu được quy định bởi phân nhánh thân, lóng thân vươn dài và tăng trưởng chồi thân tăng trưởng hữu hạn (shoot determinacy). Kiến trúc lý tưởng có xu hướng làm tăng năng suất, như “Cách mạng xanh” đã làm tăng năng suất nhờ kiểu hình nửa lùn của giống mễ cốc vào thập niên 1960s. Dưa leo (Cucumis sativus L.) là loài rau quan trọng được sản xuất trên nhiều vùng của thế giới, các giống co kieểu kiến trúc thân thích ứng  được gnười ta sàng lọc phục vụ nhiều hệ thống sản xuất khác nhau. Theo nghiên cứu này, người ta có được một đột biến lùn mới với cây dưa leo có chiều cao bị rút ngắn lại và tăng trưởng hữu hạn (determinate growth habit). Thông qua kỹ thuật BSA (bulked segregant analysis) và MBC (map-based cloning), người ta giới hạn locus dw2 còn 56.4 kb mang tất cả 5 gen. Theo biến thiên di truyền giữa WT và dw2 trong vùng có độ lớn phân tử 56.4 kb ấy, người ta tiến hành làm mất đoạn 7.9 kb dẫn đấn kết quả mất đoạn hoàn toàn gen CsaV3_5G035790 trong locus dw2 đồng phân ly với kiểu hình cây lùn. Phân tích haplotype và phân tích mức độ biểu hiện của gen cho thấy  CsaV3_5G035790 mã hóa protein có tên là cyclin-dependent protein kinase inhibitor. CsSMR1 trở thành gen ứng cử viên điều khiển kiểu hình “lùn” của dw2. Kết quả chạy RNA-seq analysis cho thấy: nhiều kinesin-like proteins, cyclins và những regulators của cơ quan biểu hiện hết sức khác nhau giữa WT và dw2, điều này có thể là kết qu3a làm giảm kích thước cơ quan của cây dưa leo dwarf. Hơn nữa, điều tiết theo kiểu down của gen CsSTM và gen CsWOX9 trong locus dw2 dẫn đến kết quả kết thúc premature của nhu mô ngọn phát sinh chồi, làm giảm số lóng thân và chiều cao cây. Phân lập và định tính gen CsSMR1 cho chúng ta một khái niệm về kiến trúc cây dưa leo với sự cải biên để áp dụng vào hệ thống sản xuất cây trồng cơ giới hóa.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-04006-7

Hình 2: Map-based cloning gen dw2. (a) (b) Kết quả BSA-seq analysis phân lập dw2 locus trên nhiễm sắc thể 5. (c) Primary mapping tại dw2 locus. (d, e) Fine-mapping tại dw2 locus. (f) Các gen dự đoán là ứng cử viên.

Di truyền QTL fsqs8.1 trong quả dưa liên quan đến tính trạng hình dáng quả

Nguồn: Cecilia Martínez-Martínez, Maria José Gonzalo, Pablo Sipowicz, Manuel Campos, Irene Martínez-Fernández, Carmen Leida, Mohammed Zouine, Konstantinos G. Alexiou, Jordi Garcia-Mas, María Dolores Gómez, Pablo Tornero, Miguel Ángel Pérez-Amador, Cristina Esteras, Belén Picó, Carlos Romero & Antonio J. Monforte. 2022.  A cryptic variation in a member of the Ovate Family Proteins is underlying the melon fruit shape QTL fsqs8.1. Theoretical and Applied Genetics; March 2022;  vol. 135: 785–801

Gen quy định tính trạng kích cỡ trái dưa  có tên là QTL fsqs8.1 là một thành viên của Ovate Family Proteins. Biến thiên của hình trái trái dưa được gây ra bởi những thay đổi của các biểu hiện gen giống như một biến thiên câu trúc còn nhiều bí ẩn tại  locus ấy.

Các giống dưa đều có một thang biến động hết sức rộng về hình thái học quả dưa. QTL được người ta phân lập theo kết quả đa dạng ấy. Nghiên cứu này tập trung vào hình dạng quả dưa QTL fsqs8.1, được tìm thấy trước đó trong cặp lai  giữa mẫu giống PI 124112 (CALC, quả dưa dài) và giống dưa ‘Piel de Sapo’ (PS, quả dưa hình oval). Alen của CALC fsqs8.1 kích hoạt kiểu dạng trái tròn, trở nên thích ứng với sự phân lý con lai có tính chất hơn bố mẹ (transgressive segregation) trong quânn thể được quan sát. Thật vây, dòng con lai có CALC8-1, mang fsqs8.1 locus từ CALC vào giống dưa PS, sản sinh ra trái dưa tròn hoàn toàn. Kết qủa map-based cloning cho thấy gen fsqs8.1 là một thành viên của Ovate Family Proteins (OFP), CmOFP13, có tính đồng dạng với gen AtOFP1 trong cây  Arabidopsis thaliana và gen  SlOFP20 trong cây cà chua. Sự kích hoạt nàycủa tính trạng trái dưa tròn do sự biểu hiện mạnh mẽ hơn của alen CALC vào lúc phát triển sớm của noãn. Chính fsqs8.1 locus thể hiện sự biến thiên di truyền mang tính chất cấu trúc rất quan trọng important, trở thành CmOFP13 ở xung quanh bởi hai mất đoạn có trong hệ gen giống dưa CALC. Những mất đoạn ấy hiện hữu ỡ tần suất thấp trong ngân hàng gen cây dưa (melon germplasm). Những mất đoạn và các chỉ thị SNP tại fsqs8.1 locus có thể không liên quan gì đến biến thiên về hình dạng trái dưa trong tập đoàn giống dưa của ngân nhàng gen, cái gì chỉ ra rằng những yếu tố di truyền khác nên được đưa vào trong sự kiện kích thích CALC fsqs8.1 allele. Do đó, fsqs8.1 là một mẫu mực của cái gọi là cryptic variation (biến thiên di truyền chưa rõ) nó làm thay đổi sự biểu hiện gen, giống như kết quả do biến thiên cấu trúc, làm ra sự thay đổi kiểu hình trái dưa xét theo hình thái học.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03998-6

Hình 1: Bản đồ phân giải cao fsqs8.1. Genome tham chiếu V4.0 (Castanera et al. 2020) trên cơ sở quần thể con lai Đơn bội kép (double haploid) dòng DHL92, bên trên là vị trí các markers, những gen được chú thích di truyền, vùng rất giàu những trình tự lập lại. Độ lớn của gen và xu hướng phiên mã được chỉ dẫn bằng mũi tên. Hệ gen của giiống dưa CALC8-1 trên cơ sở kết qua chạy re-sequencing cơ sở dữ liệu ở phía dưới.  Đường chấm chấm màu xanh blue là đoạn phân tử mất đoạn lớn trong giống CALC8-1. Vị trí của fsqs8.1 trên cơ sở fine mapping được chỉ ra trong CALC8-1 genome. Ứng cử viên MELO3C025206 màu xanh green. Bên phải, trái dưa điển hình của PI 124,112 (CALC, donor parent), PS (recipient parent) và CALC8-1 (du nhập fsqs8.1 locus từ giống CALC theo PS background).