Tiếp cận “đánh giá kiểu gen” bằng giải trình tự (GBS) hệ gen cây hồ tiêu

Nguồn: Ankita Negi, Kalpana Singh, Sarika Jaiswal, Johnson George Kokkat, Ulavappa B Angadi, Mir Asif Iquebal , P Umadevi, Anil Rai, Dinesh Kumar. 2022. Rapid Genome-Wide Location-Specific Polymorphic SSR Marker Discovery in Black Pepper by GBS Approach. Front Plant Sci.; 2022 May 27; 13:846937.  doi: 10.3389/fpls.2022.846937. 

Hồ tiêu (Piper nigrum), mệnh danh "Vua của gia vị," là loài cây trồng làm gia vị có tầm quan trọng về kinh tế bậc nhất của Ấn Độ, là loài cây có giá trị làm thuốc và giá trị văn hóa. Các chỉ thị phân tử SSRs, bản chất lập lại nhiều lần trình tự DNA ngắn, thường biểu thị tính đa hình cao trong tự nhiên với nhiều ứng dụng trong di truyền. Đối với kiến trúc quần thể, sự khám phá QTL/gen, MAS, và phân tích đa dạng di truyền, chỉ thị SSRs rất cần thiết để có được tính chất đặc biệt về vị trí. Bộ catagogs mang tên PinigSSRdb ~70K putative SSR markers mang tính chất anonymous (vị trí trên nhiễm sắc thể không biết), dựa trên kết quả 916 khung mang gen (scaffolds) thay vì trên cơ sở 26 nhiễm sắc thể của hệ gen cây hồ tiêu. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta phát sinh ra bộ dữ liệu ddRAD sequence của 29 giống hồ tiêu từ tất cả các vùng canh tác tiêu trên đất Ấn Độ, một kỹ thuật rẽ tiền mà hiệu quả cao của các chỉ thị phân tử đa hình (polymorphic markers). Hạn chế chính của ddRAD là mức độ phủ không có tính đồng nhất và tính thỏa hiệp, được khắc phục thành công bằng cách khai thác ưu điểm của khả năng bộ dữ liệu rất lớn về nhiễm sắc thể (chromosome-wise data availability). Hệ gen hồ tiêu gần đây nhất được người ta sử dụng để tác chiết các phân tử genome-wide SSRs. Một tập họp chỉ thị phân tử lớn bao gồm 276.230 SSRs được tìm thấy, phân bồ trên tất cả 26 nhiễm sắc thể, mật độ trung bình là 362,88 SSRs/Mb và khoảng cách trung bình là 2,76 Kb giữa hai chỉ thị SSRs. Kết quả tìm thấy những chỉ thị SSRs đa hình trong cơ sở dữ liệu mới GBS của 29 giống hồ tiêu; phương pháp vừa rẽ, vừa nhanh với 3.176 SSRs đa hình, trong đó, 2015 chỉ thị được tìm thấy có tính chất hypervariable (siêu biến thể). Nguồn số liệu trên trang web, BlackP2MSATdb, là nguồn thông tin lớn nhất, được báo cáo lần đầu tiên web resource đối với chỉ thị SSRs đa hình của hệ gen cây hồ tiêu, nó rất hữu ích phục vụ phát triển giống mới, coreset, bản đồ vật lý, phân lập QTL/gene và MAS trong sản xuất hồ tiêu trên toàn thế giới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35712605/

Nguồn BlackP2MSATdb truy cập theo http://webtom.cabgrid.res.in/blackp2msatdb/

GIGANTEA và di truyền tính chống chịu mặn theo đồng hồ sinh học của cây Arabidopsis

Nguồn: Joon-Yung Cha, et al. 2022. The Na⁺/H⁺ antiporter SALT OVERLY SENSITIVE 1 regulates salt compensation of circadian rhythms by stabilizing GIGANTEA in Arabidopsis. PNAS August 8, 2022; 119 (33) e2207275119

Tầm quan trọng

Đồng hồ sinh học (circadian clock) là một timekeeper nội sinh, bản chất phân tử điều phối nhịp thời gian sinh học của các tiến trình phát triển và sinh lý học của sinh vật. Sự bù trừ của đồng hồ sinh học đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc duy trì nhịp thời gian cụ thể tại các môi trường ngoại cảnh về đêm hết sức thay đổi. M8ạc dù các hàm lượng của ion trong thực vật biến động vào ban ngày hoặc theo mùa do những thay đổi cường độ thoát hơi nước và ẩm độ đất, nhưng các cơ chế phân tử chính xác của sự kiện bù đấp bởi mặn (salt compensation) chưa được biết rõ ràng. Người ta ghi nhận SOS1 rất cần thiết cho việc duy trì nhịp độ của đồng hồ sinh học trong điều kiện cây bị stress mặn và trung hòa sự bù đấp mặn thông qua bảo vệ trực tiếp protein GI. Như vậy, thực vật có thể thu nhận protein GI để điều phối chức năng có bản chất homeostatic (bảo hòa những chất gây hại trong không bào) phản ứng lại nhiều mức độ mặn khác nhau, qua cách thức kết hợp có tính chất tùy thuộc vào mặn (salt-dependent association) giữa protein GI và protein SOS của cá thể.

Tóm tắt

Đồng hồ sinh học là một timekeeping, là hệ thống mang chức năng sinh lý “homeostatic”; nó điều phối theo nhịp thời gian tất cả những tiến trình chủ yếu ở trong tế bào. Chức năng này của đồng hồ sinh học (circadian clock) mang tính chất bù trừ (compensated) khi đối diện với những biến động bên ngoài của ngoại cảnh, they đổi từ trạng thái bình thường đến trạng thái bị stress. Mặn là yếu tố ngoại cảnh cực trọng ảnh hưởng đến tăng trưởng thực vật, thực vật tiến hóa lộ trình có thuật ngữ chuyên môn là SALT OVERLY SENSITIVE (SOS) để có được cái gọi là halotolerance (chống chịu mặn). Tuy nhiên, các hệ thống điều tiết này đối với sự kiện bù trừ nhịp điệu thời gian (clock compensation) khi cây bị mặn chưa rõ ràng. Ở đây, các tác giả chỉ ra rằng chính antiporter mang ion Na⁺/H⁺ ở màng plasma (plasma membrane): SOS1 có chức năng đặc biệt như một “regulator” của đồng hồ sinh học chuyên tính với mặn (salt-specific circadian clock regulator) thông qua protein GIGANTEA (GI) trong cây Arabidopsis thaliana. Protein SOS1 tương tác trực tiếp với protein GI theo tính cách của sự lệ thuộc vào mặn và làm ổn định protein này để duy trì được nhịp độ thời gian sinh học mang tính chất proper (không hoàn toàn) trong điều kiện mặn. Chức năng của SOS1 là một circadian clock regulation cần phải có những nguồn thông tin bậc hai nếu bị mặn xâm nhập, trong dịch bào chất không có calcium và ROS (reactive oxygen species), khẳng định điều tiết hết sức khác nhau đối với SOS1 bên cạnh chức năng “transporter” để duy trì được trạng thái sinh lý mang tên “Na⁺ homeostasis” (bảo hòa ion Na+). Kết quả còn chứng minh rằng SOS1 duy trì trạng thái homeostasis khi cây phản ứng với mặn, điều kiện mức độ mặn cao hoặc mức độ mặn biến động lên xuống trong ngày. Những kết quả nghiên cứu này phác họa khả năng di truyền  của tính trạng “circadian clock” để duy trì được hoạt động timekeeping trong điều kiện mức độ mặn có phổ biến động rất rộng.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2207275119

CsFT điều khiển tính cảm quang và tính trạng trổ bông sớm của dưa leo

Nguồn: Aiyi Yang, Qinglan Xu, Zezhou Hong, Xinrui Wang, Kang Zeng, Ling Yan, Yuanyuan Liu, Zhujun Zhu, Huasen Wang & Yunmin Xu. 2022. Modified photoperiod response of CsFT promotes day neutrality and early flowering in cultivated cucumber. Theoretical and Applied Genetics August 2022; vol. 135: 2735–2746

Phương pháp “map-based cloning” và tìm ra phản ứng cảm quang của cây dưa leo cho thấy rằng CsFT là một gen chủ yếu sinh ra trong quá trình thuần hóa tính cảm quang của cây dưa leo.

Tính cảm quang (photoperiod sensitivity) là tính trạng rất quan trọng giúp cây phản ứng với những thay đổi trong mùa vụ và sự thích nghi theo địa phương. Tuy nhiên, tính cảm quang theo ngày dài làm giới hạn sự thích nghi của loài cây trồng theo địa lý; nó cần được cải biên trong quá trình thuần hóa của các loài cây trồng. Dưa leo được thuần hóa tại Nam Á. Ngày này, dưa leo được trồng ở hầu hết các vùng trên thế giới, với sự biến thiện khác rộng về vĩ tuyến, nhưng tính cảm quang của nó và sự thay đổi của nó trong quá trình thuần hóa chứa được biết rõ ràng. Ở đây, người ta khẳng định dưa leo hoang dại (quần thể Hardwickii) là loài cây ngày ngắn, nó trổ bông tùy thuộc vàongày ngắn (SD), trong khi đó, giống dưa leo trồng trọt (giống 9930) là cây trung tính (day-neutral plant) trổ bông hoàn toàn độc lập với độ dài ngày. Locus điều khiển tính trạng cảm quang có tên là ps-1 được phân lập trong cặp lai 9930 × Hardwickii; quần thể con lai phân ly F₂ , trong vùng có độ lớn phân tử ~ 970 kb với tổng cộng 60 gen dự đoán. Kết quả chạy RNA-seq analysis cho thấy: gen điều khiển lộ trình quang chu kỳ FLOWERING LOCUS T (CsFT) nằm trong locus ps-1 biểu hiện khác biệt giữa giống 9930 và Hardwickii, kết quả này được minh chứng bằng kết quả qRT-PCR. Gen CsFT của quần thể Hardwickii rất nhạy cảm với ngày dài và có thể bị kích thích một cách đáng kể bởi điều kiện ngày ngắn SD, trong khi đó gen CsFT biểu hiện mạnh mẽ trong giống dưa leo 9930 và không cảm quang với ngày dài. Hơn nữa, vai trò của gen CsFT trong tăng cường sử trổ bông được minh chứng bằng sự biểu hiện mạnh mẽ CsFT trong cây Arabidopsis. Người ta còn phân lập được những biến dị di truyền có trong promoter của gen CsFT trên các giống dưa leo khác nhau về địa lý, điều này gợi ra rằng: chúng có vai trò trong tiến trình thuần hóa dưa leo trồng trọt ngày nay. Kết quả cho thấy: có một biến thiên trong tính cảm quang của gen CsFT kết hợp với ngày trung tính và tính trạng trổ bông sớm của giống dưa leo trồng trọng và có thể góp phần vào canh tác dưa leo ở nhiều vùng khác nhau trên thế giới.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04146-4

Nhiệt độ nóng và tính kháng bệnh đạo ôn theo tín hiệu JA của cây lúa

Nguồn: Jiehua Qiu, Junhui Xie, Ya Chen, Zhenan Shen, Huanbin Shi, Naweed I Naqvi, Qian Qian, Yan Liang, Yanjun Kou. 2022. Warm temperature compromises JA-regulated basal resistance to enhance Magnaporthe oryzae infection in rice. Molecular Plant.; 2022 Apr 4;15(4):723-739.  

Sự ấm lên của khí quyển trên toàn cầu có ảnh hưởng đến phát triển bệnh hại cây trồng. Người ta biết rằng bệnh đạo ôn cây lúa nhanh chóng trở thành dịch trong mối tương quan với sự ấm lên như vậy. Tuy nhiên, cơ chế phân tử này chưa rõ. Theo kết quả nghiên cứu của công trình này, người ta chỉ ra rằng sự phát triển bệnh đạo ôn lúa tăng ở nhiệt độ khí quyển ấm (22°C) so sánh với nhiệt độ bình thường cho cây tăng trưởng (28°C). Phân tích so sánh transcriptome cho thấy sinh tổng hợp jasmonic acid (JA) và các gen truyền tín hiệu có liên quan trong hệ gen cây lúa có thể bị kích hoạt bởi nấm Magnaporthe oryzae ở 28°C nhưng không bị kích hoạt ở 22°C. Phân tích kiểu hình cho kết quả trong cây lúa đột biến osaoc1 và osmyc2, những dòng lúa OsCOI1 RNAi, và OsMYC2-OE đều minh chứng rằng: sinh tổng hợp JA bị kích hoạt bởi nấm M. oryzae và tiến trình truyền tín hiệu dẫn đến kết quả làm tăng cường tính nhiễm bệnh đạo ôn ở điều kiện nhiệt độ ấm. Theo kết quả ấy, người ta tìm thấy một phương pháp ngoại sinh: dùng methyl jasmonate phun vào, nó rất hữu hiệu trong cải tiến tính kháng bệnh đạo ôn trong điều kiện nhiệt độ ấm. Hơn nữa, hoạt tính tăng lên của sự truyền tín hiệu JA làm cho biểu hiện gen điều tiết theo kiểu “down” của một vài gen kháng chủ lực, ở nhiệt độ 22°C khi so sánh với nghiệm thức nhiệt độ 28°C. Trong những gen có ảnh hưởng nhất định ấy, OsCEBiP (chitin elicitor-binding protein precursor) được tìm thấy bị điều tiết trực tiếp bởi OsMYB22 và protein tương tác của nó OsMYC2, một thành phần chủ chốt của tiến trình truyền tin hiệu JA. Điều ấy góp phần vào kết quả kháng bệnh đạo ôn khi thay đổi nhiệt độ. Kết quả nghiên cứu này cho rằng nhiệt độ ấm làm tổ thuong tính kháng của cây lúa, làm tăng cường sự xâm nhiễm của nấm M. oryzae bởi làm giảm sinh tổng hợp JA và tiến trình truyền tín hiệu. Kết quả cung cấp những chiến lược mới trong quản lý bệnh đạo ôn cây lúa trong điều kiện khí quyển ấm lên trên toàn thế giới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35217224/

Hình: Giảm tính kháng bệnh đạo ôn của cây lúa ở nhiệt độ 22°C.