Tuần tin khoa học 804 (12-18/09/2022)

Protein WD40 và năng suất lúa, bắp

Nguồn: Chen W, Chen L, Zhang X, Yang N, Guo J, Wang M, Ji S, Zhao X, Yin P, Cai L, Xu J, Zhang L, Han Y, Xiao Y, Xu G, Wang Y, Wang S, Wu S, Yang F, Jackson D, Cheng J, Chen S, Sun C, Qin F, Tian F, Fernie AR, Li J, Yan J, Yang X. 2022. Convergent selection of a WD40 protein that enhances grain yield in maize and rice. Science. 2022 Mar 25;375(6587): eabg7985. doi: 10.1126/science.abg7985.

Hiểu biết tốt hơn về kỹ thuật chọn lọc tích hợp có thể cải tiến rất lớn hiệu quả của chương trình chọn tạo giống mới. Người ta phát hiện QTL tại locus KRN2 trong hệ gen cây bắp và gen đồng dạng trong cây lúa OsKRN2, kết quả qua chọn lọc tích hợp, quy tụ gen (convergent selection). Những gen đồng dạng (orthologs) mã hóa protein WD40 rồi tương tác với một gen mà chưa rõ chức năng, DUF1644, để điều tiết một cách bị động tính trạng số hạt của cây cắp và cây lúa. Thực hiện knockout gen KRN2 trong cây bắp hoặc gen OsKRN2 trong cây lúa đều làm tăng năng suất hạt lên ~10% và ~8%, theo thứ tự, với không có ‘trade-offs’ tạm thời nào trong những tính trạng nông học khác. Hơn nữa, thực hiện kỹ thuật “genome-wide scans” người ta phân lập được 490 cặp gen đồng dạng (orthologous genes) mà chúng trải qua kết quả chọn lọc tích hợp như vậy trong suốt tiến trình tiến hóa của cây bắp và cây lúa, tất cả được làm giàu thêm về hai chu trình phân tử có tính chất chia sẻ cho nhau. KRN2, cùng với những gen khác được chọn theo cách quy tụ ấy, cho ra một kết quả tuyệt vời trong cải tiến giống của tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35324310/

Di truyền tính chống chịu lạnh của cây bắp

Nguồn: Xuemei Zhou, Imran Muhammad, Hai Lan, Chao Xia. 2022. Recent Advances in the Analysis of Cold Tolerance in Maize. Front Plant Sci.; 2022 Apr 12;13:866034.  doi: 10.3389/fpls.2022.866034. 

Bắp (Zea mays L.) là cây hòa thảo hàng niên có nguồn gốc ở nhiệt đới và cận nhiệt đới của châu Mỹ (New World). Bắp rất nhạy cảm với nhiệt độ lạnh trong giai đoạn hạt nẩy mầm và giai đoạn cây non (seedling phase), lạnh có thể dẫn đến làm suy giảm cường lực tăng trưởng của cây và năng suất hạt. Có những khác biệt rất lớn về những thay đổi tính trạng hình thái và tính trạng sinh lý bởi stress lạnh trong các mẫu giống bắp khác nhau.  Nói chung, giống bắp chống chịu lạnh có khả năng mạnh mẽ hơn để duy trì những thay đổi như vậy đối với tính trạng có liên quan đến hạt nẩy mầm, kiểu hình rễ, và quang hợp của chồi thân. Những đặc điểm về hình thái và sinh lý đã và đang được sử dụng phổ biến để đánh giá tính chồng chịu lạnh của các giống bắp trong phân tích di truyền. Những năm gần đây, người ta xem xét tiến bộ dựa trên những cơ chể rõ ràng  của phản ứng cây bắp với chống chịu lạnh. Nhiều phân tích QTL, GWAS, và transcriptomics đã và đang được tiến hành trên nhiều dòng bắp khác nhau và quần thể con lai khác nhau cho thấy có mức biến thiên di truyền rất lớn về chống chịu lạnh, kết quả của hàng trăm gen ứng cử viên điều tiết chống chịu lạnh đã được khám phá. Tuy nhiên, chỉ có một gen ứng cử viên được định tính về chức năng. Trong tổng quan này, người ta tóm tắt những tiến bộ gần đây có tính chất quy mô phân tử, sinh lý học, di truyền học, và những phân tích hệ gen của tính trạng chống chịu lạnh của cây bắp. Người ta xem xét những tiến bộ của các phân tích mang tính chất kết nối (joint analyses) kết quả phối hợp nhiều phương pháp tiếp cận về di truyền và hệ gen để cải tiến mức độ chính xác trong phân lập gen được tiều tiết bởi nhiệt độ lạnh, tất cả đều có thể được áp dụng trong cái gọi là “molecular breeding”. Người ta còn thảo luận về sự kiện truyền tín hiệu theo đường dài (long-distance signaling) trong chống chịu lạnh của cây. Những luận điểm mới ấy sẽ cung cấp cho chúng ta hiểu biết tốt hơn về tính chống chịu lạnh của cây bắp.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35498657/

Di truyền tính trạng bệnh siêu vi của cây mía và ứng dụng trong chọn giống

Nguồn: Wenzhi Wang, Jungang Wang, Xiaoyan Feng, Llinbo Shen, Cuilian Feng, Tingting Zhao, Hong Xiao, Shifang Li and Shuzhen Zhang. 2022. Breeding of virus-resistant transgenic sugarcane by the integration of the Pac1 gene. Sustain. Food Syst., 15 August 2022; Sec. Agroecology and Ecosystem Services.

https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.925839

Nhiều bệnh siêu vi RNA khác nhau làm giảm năng suất mía rất nặng nề và làm giảm chữ đường. Chọn tạo giống mía mới kháng được siêu vi là mục tiêu chính của chương trình cải tiến giống mía cao sản. Cả siêu vi có phân tử RNA dây đơn và RNA dây đôi đều phát sinh ra sự tiến hóa của chu trình RF “double-stranded RNA replicative form” trong khi tự tái bản (replication cycle). Khi hệ men PAC1 (double-stranded RNA-specific ribonuclease) được mã hóa bởi gen Pac1 (của Schizosaccharomyces pombe), chúng có thể ghi nhận và làm phân giải phân tử RNA dây kép một cách đặc thu mà không cần bất cứ trình tự nào khác, sự biểu hiện của PAC1 trong dòng mía transgenic có thể phát triển thành công giống mía kháng virus. Theo kết quả này, lần đầu tiên người ta cho biểu hiện PAC1 trong tế bào sinh vật prokaryotic. Kế tiếp đó, phân tử RNA dây kép RF của siêu vi SCSMV (sugarcane's streak mosaic virus) được tổng hợp nhân tạo. Hoạt động phân giải của PAC1 được xét nghiệm thành công bằng cách trộng protein PAC1 và phân tử “double-stranded RNA RF”. Sau đó, gen Pac1 được nối với một vector biểu hiện trong thực vật, rồi cho du nhập vào giống mía rất dễ nhiễm bệnh siêu vi bằng chuyển nạp gián tiếp qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens. Cây mía transgenic được thử thách bởi kết quả chủng siêu vi SCSMV. Mặc dù tất cả dòng cây mía transgenic đều bị chủng nhiễm siêu vi SCSMV, những triệu chứng khảm mosaic xuất hiện trên lá nhẹ hơn so với cây nguyên thủy (wild type). Tất cả thân mía transgenic biểu hiện triệu chứng nhiễm siêu vi thấp hơn có ý nghĩa, thân cao hơn  cây wild-type. Kết quả nghiên cứu cung cấp một lộ trình mới trong cải tiến giống mía cao sản kháng được bệnh siêu vi.

Xem https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fsufs.2022.925839/full

Dự án SoyaGen: hệ gen học và nhà chọn giống đậu nành

Nguồn: Belzile F, Jean M, Torkamaneh D, Tardivel A, Lemay MA, Boudhrioua C, Arsenault-Labrecque G, Dussault-Benoit C, Lebreton A, de Ronne M, Tremblay V, Labbé C, O'Donoughue L, St-Amour VB, Copley T, Fortier E, Ste-Croix DT, Mimee B, Cober E, Rajcan I, Warkentin T, Gagnon É, Legay S, Auclair J, Bélanger R. 2022. The SoyaGen Project: Putting Genomics to Work for Soybean Breeders. Front Plant Sci. 2022 Apr 26;13:887553. doi: 10.3389/fpls.2022.887553.

Dự án SoyaGen là một sáng kiến mang tính chất hợp tác giữa các nhà chọn giống đậu nành Canada và những nhà chọn giống thuộc  academia, doanh nghiệp tư nhân cũng như những nhà khoa học tầm cỡ quốc tế. Mục đích của dự án nhằm phát triển các giải pháp xuất phát từ ngành genome học đối với những thách thức thật sự của thế giới hiện nay bởi nhiều nhà chọn giống tâm huyết. Trên cơ sở nhu cầu của những đối tác (stakeholders), nghiên cứu này nỗ lực giải quyết tập trung “tối đa hóa” năng suất thực tế thông qua mô phỏng tối ưu hóa thời gian chín và cải tiến tính kháng bệnh. Những thành tự hỗ trợ cho chọn giống theo mô hình phân tử (molecular breeding) giống đậu nành được tổng quan ở trong bài này. Đó là: (1) bộ cơ sở dữ liệu SNP biểu hiện đa dạng di truyền trong tập đoàn giống đậu nành (khoảng > 1,000 mẫu giống đậu nành trên toàn thế giới và một tập đoàn subset gồm 102 mẫu giống đậu nành có tính chất “short-season” chín sớm); (2) Chỉ thị phân tử SNP phục vụ chọn các alen mong muốn tại các gen chủ lực quyết định tính trạng chín hạt đậu nành cũng như những loci gắn với tính kháng sâu bệnh hại chính (Phytophthora sojae, Heterodera glycines, Sclerotinia sclerotiorum); (3) những công cụ chẩn đoán giúp cho việc xác định pathotypes và lập bản đồ của những pathotypes đặc biệt của vi nấm P. sojae; và (4) phương pháp dự đoán có tính chất genomic  để xác định những tổ hợp lai triển vọng nhất giữa bố mẹ. Kết quả hợp tác hết sứ thành công này giữa các nhà chọn giống đã tạo nên những công cụ mới, phương pháp mới để thực hiện chiến lược chọn giống phân tử, chọn giống trên cơ sở genome học. Người ta tin rằng những công cụ và phương pháp ấy được áp dụng rộng rãi  trong chọn tạo giống đậu nành trên toàn thế giới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35557742/

Bản đồ GWAS tính kháng bệnh Phytophthora sojae trong quần thể đầu nành bao gồm 357 cây du nhập PIs (plant introductions). [

de Ronne et al. 2021]