Tuần tin khoa học 786 (02-08/05/2022)

Tiến hóa của hệ gen AA trong quần thể lúa hoang ở Australia

Nguồn: Sharmin Hasan, Agnelo Furtado, Robert Henry. 2022. Reticulate Evolution in AA-Genome Wild Rice in Australia. Front Plant Sci.; 2022 Mar 11;13:767635.  

doi: 10.3389/fpls.2022.767635. eCollection 2022.

Hình: Principal component analysis (PCA) của 26 quần thể lúa hoang trên cơ sở dữ liệu 490,655 chỉ thị SNPs trên toàn bộ hệ gen.

Nguồn gen trong lúa hoang, thuộc hệ gen AA, tại Australia có tính chất khác biệt về địa lý  và di truyền với hệ gen AA của châu Á. Hai taxa khác biệt được tìm thấy mọc chung với nhau tại vùng Bắc Úc Châu, loài Oryza meridionalis (bao gồm loại hình đa niên và hàng niên) và loài Oryza rufipogon giống như taxa mà chúng được người ta xem xét chuỗi trình tự DNA của lục lạp, rất gần O. meridionalis hơn là O. rufipogon của châu Á. Những cây rất hiếm có hình thái trung gian đã được người ta quan sát trong điều kiện hoang dã tự nhiên, chúng có đặc điểm “ngăn cản phát dục” (reproductive barrier) giữa hai loài khác nhau. Hiện nay, người ta ghi nhận kết quả chạy “resequencing”  những cá thể lúa hoang ấy thu từ 26 quần thể bao gồm cả hai taxa và những cá thể lai giả định (putative hybrids). So sánh trình tự DNA của hệ gen nhân và hệ gen lục lạp chỉ ra rằng: có hiện tượng tái tổ hợp (re-combinations) minh chứng kết quả lai trong thiên nhiên theo cả hai hướng thuận nghịch. Những cá thể có hình thái trung gian đều thể hiện tính di hợp tử cao trong hệ gen nhân (nuclear genome) phản ánh nguồn gốc con lai. Xem xét những gen đặc biệt (e.g., starch biosynthesis gen sinh tổng hợp tinh bột) cho thấy có dị hợp tử với những alen có từ bố mẹ, điều này gợi ra rằng: một vài cây lúa hoang là những con lai ở thế hệ đầu tiên. Những cây lúa hoang này có khả năng thụ tinh chéo thấp bảo tồn bản chất di truyền được duy trì của hai loài lúa hoang khác biật này. Hồi giao lại của những cây lai rất hiếm ấy với bố hoặc mẹ sẽ giải thích được cây lúa hoang này biểu hiện trong lục lạp. Những quan sát trong thí nghiệm cho thấy sự tiến hóa có tính chất mắt lưới (reticulate evolution) đang diễn ra tiếp tục trong quần thể lúa hoang Oryza và có thể là một tiến trình chủ chốt của tiến hóa cây lúa cũng như thuần hóa cây lúa.

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35360335/

Phương pháp chọn giống đậu nành thông qua “ZDX1 array”

Nguồn: Rujian Sun, Bincheng Sun, Yu Tian, Shanshan Su, Yong Zhang, Wanhai Zhang, Jingshun Wang, Ping Yu, Bingfu Guo, Huihui Li, Yanfei Li, Huawei Gao, Yongzhe Gu, Lili Yu, Yansong Ma, Erhu Su, Qiang Li, Xingguo Hu, Qi Zhang, Rongqi Guo, Shen Chai, Lei Feng, Jun Wang, Huilong Hong, Jiangyuan Xu, Xindong Yao, Jing Wen, Jiqiang Liu, Yinghui Li & Lijuan Qiu. 2022.  Dissection of the practical soybean breeding pipeline by developing ZDX1, a high-throughput functional array. Theoretical and Applied Genetics April 2022; vol. 135 : 1413–1427

Người ta phát triển một phương pháp có hiệu quả cao ZDX1 “functional soybean array” để có đánh giá và tuyển chọn chính xác cả bố mẹ và con lai phục vụ cải tiến giống đậu nành.

Công nghệ microarray giúp người ta thực hiện đánh giá kiểu gen nhanh, chính xác và kinh tế. Ở đây, người ta sử dụng phương pháp sử dụng cơ sở dữ liệu resequencing từ 2214 mẫu giống đậu nành đặc trưng, người ta phát triển bộ chỉ thị “high-throughput functional array ZDX1”, bao gồm 158.959 chỉ thị phân tử SNPs, phủ trên 90,92% các gen đậu nành và các vị trí chủ đích liên quan đến những tính trạng quan trọng. Thông qua áp dụng chạy array, người ta tiến hành đánh giá kiểu gen của 817 mẫu giống đậu nành, bao gồm ba quần thể phụ của những dòng bố mẹ đạt tiêu chuẩn, các dòng bố mẹ thông thường và các dòng con lai từ cặp lai thực tế. Những chỉ thị phân tử fixed SNPs được phân lập trong con lai, cho thấy việc tuyển chọn nhân tạo trong suốt tiến trình chọn giống. Thông qua các vị trí có chức năng được phân lập của những tính trạng mục tiêu, người ta chọn được dòng con lai đậu nành mới, có khả năng kháng tuyến trùng “soybean cyst nematode” như vật liệu nền có thời gain sinh trưởng mong muốn, nhờ kết quả kết hợp các alen (allele combinations), điều ấy chúng minh rằng những vị trí có chức năng cung cấp cho người ta phương pháp hiệu quả để sàng lọc nhanh chóng các tính trạng mong muốn hao85c nguồn gen mong muốn. Người ta xác định được chỉ số chọn giống “breeding index” (BI) như một chỉ dẫn tốt (good indicator) cho sàng lọc quần thể con lai. Con lai ưu việt (superior progeny) được phát triển từ tổ hợp có bố mẹ khác biệt biệt nhau rất xa, với ít nhất một bố hoặc mẹ chó chỉ số BI cao hơn. Hơn nữa, những tổ hợp mới trên cơ sở hoàn thiện tốt được đề nghị làm vật liệu chọn giống về lâu dài. Phân tích GLUP (genomic best linear unbiased prediction) là phương pháp phân tích tốt nhất, có kết quả chính xác cao nhất trong dự đoán bốn tính trạng khi so sánh bằng chỉ thị SNPs trong vùng mục tiêu chứa gen hơn là xem xét toàn bộ genome hoặc chỉ thị SNPs có tính chất intergenic. Mức độ chính xác của dự đoán được cải tiến đến 32,1% thông qua sử dụng con lai để phát triển rộng hơn quần thể “training”. Nhìn chung, kỹ thuật versatile assay minh chứng được ZDX1 array theo chức năng là thông tin rất hiệu quả đối với thiết kế và tối ưu hóa một hệ thống cải tiến giống đậu nành.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04043-w

Gen CpDll của hệ gen cây bí zucchini (Cucurbita pepo L.) và tính trạng lá có thùy sâu

Nguồn: Kailiang Bo, Ying Duan, Xiyan Qiu, Meng Zhang, Qin Shu, Yapei Sun, Yadi He, Yuzi Shi, Yiqun Weng & Changlin Wang. 2022. Promoter variation in a homeobox gene, CpDll, is associated with deeply lobed leaf in Cucurbita pepo L. Theoretical and Applied Genetics April 2022; vol. 135: 1223–1234

Gen CpDll mã hóa protein “HD-Zip I transcription factor”, tích cực điều tiết trong hình thành dạng lá có thùy sâu (deeply lobed leaf shape) trong cây bí zucchini, tên khoa học là Cucurbita pepo. Điều này có liên quan đến biến thiên trình tự DNA  trong vùng promoter của gen ấy.

Dạng lá là tính trạng nông học quan trọng của cây bí zucchini (Cucurbita pepo L.). Lá có thùy sâu thuận lợi để tăng mật độ cây trên diện tích và sản xuất giống ưu thế lai. Tuy nhiên, người ta ít biến đến cơ chế phân tử của sự hình thành lá có thùy sâu trong loài cây làm rau này. Người ta thực hiện phân tích QTL và fine mapping locus deeply lobed leaf (CpDll) thông qua sử dụng dòng cận giao tái tổ hợp và con lai quần thể F₂ được phát triển từ tổ hợp lai giữa giống “deeply lobed leaf” HM-S2, và giống có lá bình thường (entire leaf) Jin-GL. Người ta ghi nhận rằng: gen CpDll biểu hiện tính chất trội không hoàn toàn đối với tính trạng lá có thùy sâu trong giống HM-S2. Kết quả “Map-based cloning” cho thấy: gen CpCll mã hóa protein thuộc dạng type I homeodomain (HD)- và Leu zipper (Zip) element-containing transcription factor. Kết quả phân tích trìnhtự DNA giữa hai giống HM-S2 và Jin-GL cho thấy không có biến thể về trình tự DNA  ở vùng mang mật mã di truyền, trong khi đó, một số biến thể được ghi nhận ở vùng promoter của gen này. Xét nghiệm DUAL-LUC cho thấy có hoạt động của promoter mạnh hơn đáng kể trong giống HM-S2 so với giống Jin-GL. Gen CpDll  biểu hiện mạnh mẽ hơn đánh kể  trong giống bí có thùy sâu HM-S2 so với giống có lá bình thường Jin-GL. Phân tích so sánh các đồng dạng của gen CpDll (gene homologs) của chín loài cucurbit (họ Cucurbitaceae) cho thấy có sự bảo tồn trong cả chức năng và kiến trúc của gen này khi điều tiết ra hình thành lá có thùy sâu. Đây là công trình khoa học cung cấp những kiến thức mới ở mức độ phân tử của sự hình thành lá có thùy sâu trong cây pumpkin/squash và loài cucurbit khác. Kết quả tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng chỉ thị phân tử để chọn giống zucchini có hình thái lá mong muốn.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-04026-3

Chọn giống lúa mì ưu thế lai

Nguồn: Lea Schwarzwälder, Patrick Thorwarth, Yusheng Zhao, Jochen Christoph Reif & C. Friedrich H. Longin. 2022.  Hybrid wheat: quantitative genetic parameters and heterosis for quality and rheological traits as well as baking volume. Theoretical and Applied Genetics April 2022; Vol. 135:  1131–1141.

Ảnh hưởng ưu thế lai (heterosis effects) đối với tính trạng phẩm chất “dough” của bánh mì và độ nở  lớn bánh mì (baking volume) vẫn còn ở con số zero. Tuy nhiên giống ưu thế lai cho năng suất cao hơn ở múc độ nào đó phẩm chất bánh mì cũng tốt hơn so với bố mẹ.

Dough được giải thích như sau: bánh mì có 3 nhóm chính “lean yeast dough” là bánh mì gầy; “rich yeast dough” là bán mì béo; “rolled-in yeast dough” là bánh mì xếp nhiều lớp cuộn lại nhau.

Giống lúa cuyên làm bánh mì (bread wheat cultivars) được tuyển chọn theo nhiều tính trạng phẩm chất khác nhau để đáp ứng đầy đủ nhu cầu người tiêu dùng của công nghệ chế biến bánh mì. Chúng bao gồm hàm lượng protein, chất lượng protein như tính trạng có bản chất rheological và độ nở lớn bánh mì (baking volume). Người ta tiến hành đánh giá 35 dòng đực và 73 dòng cái, 119 con lai F₁ tại 3 điểm khảo nghiệm: năng suất, hàm lượng protein, giá trị lắng (sedimentation value), các tính trạng extensograph (độ nở) và thể tích bánh mì (baking volume). Khác biệt không có ý nghĩa thống kê (p < 0.05) được ghi nhận ở giá trị trung bình của bố mẹ và con lai F₁, ngoại trừ năng suất cao hơn, protein thấp hơn của con lai. Ưu thế lai trung bình (H% lớn hơn trung bình bố + mẹ), ưu thế lai heterobeltiosis (HB% tuyệt đối hơn cả bố hoặc mẹ) đều tiến đến zero và hầu như giá trị âm, đối với tính trạng baking volume, extensograph traits. Tuy nhiên, giá trị ưu thế lai cho thấy con lai có năng suất cao hơn các dòng lúa mì có mức độ baking volume, giá trị lắng hoặc giá trị năng lượng của extensograph. Do tương quan cao với giá trị trung bình bố mẹ (r > 0.70), một dự đoán ban đầu của kết quả ưu thế lai trên cơ sở từng dòng per se đối với hàm lượng protein, sedimentation value, hầu hết các tính trạng về extensograph và baking volume. Phương sai thấp do ảnh hưởng của SCA (specific combining ability) đối với hầu hết các tính trạng phẩm chất lúa mì, có xu hướng hoạt động gen có tính cộng (additive gene action) trong chọn dòng có phẩm chất tốt trong cả hai nhóm heterotic (H% và HB%). Như vậy, lúa mì ưu thế lai có thể kết hợp năng suất cao với phẩm chất cao của bánh mì. Tuy nhiên, sử dụng trong  tương lai giống lúa mì F₁ còn tùy thuộc vào chi phí sản xuất hạt lai và hệ thống sản xuất đáng tin cậy hay không.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04039-6