Tuần tin khoa học 805 (19-25/09/2022)

Kết quả phân tích metabolomic (biến dưỡng) bệnh đốm vằn cây lúa

Nguồn: Wadzani Palnam Dauda, Virendra Singh Rana, Amolkumar U Solanke, Gopala Krishnan, Bishnu Maya Bashya, Rashmi Aggarwal, Veerubommu Shanmugam. 2022.  Metabolomic analysis of sheath blight disease of rice (Oryza sativa L.) induced by Rhizoctonia solani phytotoxin. J Appl Microbiol.; 2022 Aug 11.  doi: 10.1111/jam.15776. Online ahead of print.

Mục đích nghiên cứu: hiểu biết về cơ chế hoại tử (necrosis) bị kích thích bởi phytoxin của ký chủ có chọn lọc như toxin Rhizoctonia solani (RST); phân lập toxin này làm ra một yếu tố lây nhiễm bệnh tiềm tàng của mẫu nấm R. solani AG1 IA, gây bệnh đốm vằn (ShB) trên cây lúa.

Kết quả thay đổi về metabolomic bị kích hoạt bởi cơ chất biến dưỡng phytotoxic trong giống lúa nhiễm bệnh đốm vằn được minh chứng bằng phương pháp phân tích sắc ký khối phổ khí (gas chromatography-mass spectrometry), rồi so sánh với co chất của pathogen nhằm xác định các cơ chất biến dưỡng (metabolites) của cây lúa bằng nồng độ phytotoxin. Những phổ biểu hiện cơ chất biến dưỡng (profiles) của tất cả 29 metabolites có vai trò sinh lý vô cùng khác biệt nhau trong cây lúa được người ta phân lập trên toàn thế giới. Các biến số biết được và không biết được trong phép đo chemometrics (PCA: principal component analysis và partial least squares-discriminant analysis), những phân tích cluster (phổ biểu hiện của Heat maps) đều được sử dụng để so sánh  các cơ chất biến dưỡng này (metabolites) thu thập từ các phổ biểu hiện hóa học (chemical profiles) của những nghiệm thức so sánh với nghiệm thức đối chứng là nước cất SDW (sterile distilled water). Người ta thấy rằng cây lúa biểu hiện cơ chất biến dưỡng nhiều hơn khi phản ứng với pathogen gây bệnh đốm vằn, so với phytotoxin; chúng đạt giá trị thấp nhất trong nghiệm thức đối chứng SDW. Những metabolites chủ chốt biểu hiện trong cây lúa khi phản ứng trong các nghiệm thức được nghiên cứu bằng phương pháp VIP (variable importance in projection) với p < 0.05 VIP >15. Kết quả phân tích xác định được 7 metabolites điều tiết kiểu “up” trong nghiệm thức phytotoxin và 11 metabolites điều tiết theo kiểu “up” trong nghiệm thức pathogen, so sánh với nghiệm thức đối chứng không xử lý. Trong nghiệm thức xử lý phytotoxin và nghiệm thức chủng pathogen, mẫu xử lý phytotoxin được ghi nhận là upregulation thuộc về sáu metabolites, trong khi đó, chín metabolites được điều tiết kiểu “up” thuộc về mẫu có chủng pathogen. Những metabolites điều tiết theo kiểu “up” như vậy được xem xét về định tính các triệu chứng hoại tử (necrotic symptoms) đối với cả hai đối tượng: phytotoxin và pathogen. Theo phân tích này, hexadecanoic acid biểu hiện rất mạnh mẽ đối với các metabolites chuyên tính với phytotoxin và dotriacontane chuyên tính với mẫu chủng pathogen, theo thứ tự. Bên cạnh nội dung upregulation, các metabolites này còn có thang giá trị VIP score >1.5 và như vậy đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn của phân hạng của chúng như những biomarkers đáng tin cậy. Phân tích chu trình, hexadecanoic acid và dotriacontane được người ta phân lập thành nhiều lộ trình quan trọng về sinh tổng hợp  các cơ chất của cây lúa, ví dụ như sinh tổng hợp acid béo bảo hóa các các acid béo không bảo hòa cutin, suberin và sáp (wax).

Kết luận: cho dù có những cơ chất biến dưỡng nào đó bị kích hoạt bởi phytotoxin trong giống lúa nhiễm bệnh trong giai đoạn nấm hoại sinh (necrosis) chia sẻ phytoxin của pathogen, nhưng việc xác định các metabolites chuyên tính với phytotoxin so sánh với nghiệm thức pathogenic và nghiệm thức đối chứng SDW đều chỉ ra rằng phytotoxin điều chỉnh rất khác biệt chất biến dưỡng của cây chủ host, chúng có thể là một yếu tố phát sinh bệnh tiềm tàng của nấm ShB.

Tác động có ý nghĩa khoa học của nghiên cứu này là cho dù chưa biết các gen trên lộ trình biến dưỡng của nấm RST và sự vắng mặt của giống lúa kháng bệnh đốm vằn, nhưng hiểu biết về những thay đổi chất biến dưỡng biểu hiện vơ cùng khác biệt này kích hoạt giống lúa nhiễm bệnh bởi phytotoxin khi so sánh với nghiệm thức pathogenic và nghiệm thức đối chứng không chủng bệnh, cho phép chúng ta tìm thấy những thay đổi then chốt của metabolite trong suốt giai đoạn nhiễm bệnh đốm vằn. Những thay đổi có tính chất metabolomic như vậy, có thể được áp dụng trong tương lai để suy luận ra chức năng của gen trong khia thác nguồn gen kháng bệnh đốm vằn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35957552/

Bùng phát dịch đạo ôn trên lúa ở Yeoju, Hàn Quốc

Nguồn; Hyunjung Chung,  Da Gyeong Jeong, Ji-Hyun Lee, In Jeong Kang, Hyeong-Kwon Shim, Chi Jung An, Joo Yeon Kim, Jung-Wook Yang. 2022. Outbreak of Rice Blast Disease at Yeoju of Korea in 2020. Plant Pathol J.; 2022 Feb; 38(1):46-51.  doi: 10.5423/PPJ.NT.08.2021.0130. 

Đạo ôn lúa là đối tượng gây hại nặng nề nhất cho sản lượng thóc của các vùng trồng lúa trên thế giới. Canh tác giống lúa kháng bệnh là phương pháp hiệu quả nhất để quản lý bệnh đạo ôn trên cây lúa. Tuy nhiên, tính kháng bệnh đạo ôn rất dễ bị gãy trong vòng vài năm bởi nấm gây bệnh tiếp tục thay đổi để thích nghi với giống lúa mới này. Do đó, rất quan trọng là phải theo dõi liên tục diễn biến của bệnh và tính chất khác biệt của nòi sinh lý (race differentiation) của nấm gây đạo ôn trên đồng ruộng. Năm 2020, bệnh đạo ôn diễn biến rất nặng trên toàn quốc gia Hàn Quốc. Người ta đánh giá chỉ số bệnh tại Yeoju và so sánh điều kiện thời tiết tại thời điểm bệnh đạo ôn bộc phát năm 2019 và 2020. Người ta nghiên cứu nòi địa lý (races) và các gen “avirulence” của những mẫu phân lập nấm gây bệnh (isolates) tại Yeoju để xác định sự đa dạng của race và định tính di truyền của những mẫu phân lập ấy. Kết quả sẽ cung cấp những trợ giúp đáng kể cho nội dung kiểm soát bệnh đạo ôn và chương trình cải tạo giống lúa cao sản kháng bệnh đạo ôn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35144361/

APIP5 là yếu tố phiên mã của gen tự lập trình gây chết trong phản ứng với bệnh lúa

Fan Zhang, Hong Fang , Min Wang, Feng He, Hui Tao, Ruyi Wang, Jiawei Long, Jiyang Wang, Guo-Liang Wang, Yuese Ning. 2022.  APIP5 functions as a transcription factor and an RNA-binding protein to modulate cell death and immunity in rice. Nucleic Acids Res.; 2022 May 20; 50(9):5064-5079.  doi: 10.1093/nar/gkac316.

Nhiều phân tử yếu tố phiên mã TFs (transcription factors) của động vật gắn với cả phân tử DNA và mRNA, điều tiết phiên mã và chuyển hóa phân tử mRNA. Tuy nhiên, không phải chức năng phân tử TFs nào của thực vật đều được hiểu biết đầy đủ ở mức độ phiên mã và sau phiên mã. Protein bZIP TF AVRPIZ-T-INTERACTING PROTEIN 5 (APIP5) của cây lúa (Oryza sativa) điều tiết bị động đề lập trình tế bào chết (programmed cell death) và tính kháng bệnh đạo ôn.  Nó được thực hiện bởi effector AvrPiz-t của nấm gây bệnh đạo ôn Magnaporthe oryzae. Người ta chứng minh tín hiệu vị trí có trong nhân của APIP5 rất cần thiết cho phản ứng ức chế APIP5 của tế bào chết (hiện tượng đốm nâu để nấm không có tế bào sống mà ký sinh), rồi phản ứng kháng bệnh đạo ôn. APIP5 nhắm vào hai gen đích chúng điều tiết tích cực tính kháng bệnh: thánh tế bào kết gắn với kinase gene OsWAK5 và gen mã hóa cytochrome P450, đó là CYP72A1. APIP5 ức chế sự biểu hiện của OsWAK5, do đó, giới hạn sự tạo ra lignin; hơn nữa, APIP5 cò ức chế sự biểu hiện của CYP72A1, làm hạn chế sản sinh ra ROS (reactive oxygen species), bảo vệ tự tích tụ của các hợp chất cần thiết. Đáng chú ý là, hoạt động của APIP5 đóng vai trò như một RNA-binding protein để điều tiết phân tử mRNA turnover trong sự chết tế bào và gen có liên quan đến bảo vệ tế bào OsLSD1 và OsRac1. Do vậy, APIP5 có chức năng kép, vừa hoạt động như phân tử TF để điều tiết biểu hiện gen đích trong nhân, vừa là một RNA-binding protein điều tiết phân tử mRNA turnover trong tế bào chất, một cơ chế điều tiết chưa từng được xác định trước đây của phân tử TFs thực vật ở mức độ phiên mã và hậu phiên mã.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35524572/

Hình: Sự tích tụ protein GFP-APỊP trong nhân, lệ thuộc vào pathogen và có tính chất phát triển.

Chỉnh sửa gen kháng bệnh cháy bìa lá lúa xa13

Nguồn: Changyan Li, Lei Zhou, Bian Wu, Sanhe Li, Wenjun Zha, Wei Li, Zaihui Zhou, Linfeng Yang, Lei Shi, Yongjun Lin, Aiqing You. 2022. Improvement of Bacterial Blight Resistance in Two Conventionally Cultivated Rice Varieties by Editing the Noncoding Region. Cells; 2022 Aug 16; 11(16):2535.  doi: 10.3390/cells11162535.

xa13 là gen lặn có bản chất gen đa tính trạng (pleiotropic), nó điều tiết tích cực để kháng bệnh cháy bìa lá lúa và điều tiết tiêu cực đối với sự thụ tinh của cây lúa; do vậy, nó rất bị hạn chế trong khai thác nguồn gen để cải tiến giống lúa. Theo nghiên cứu này, công nghệ chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR/Cas9 được sử dụng để loại bỏ trình tự một phần của promoter của gen trội Xa13, bao gồm yếu tố biểu hiện bị kích hoạt bởi vi khuẫn lây bệnh (pathogenic bacteria-inducible expression element). Lúa có vùng promoter được chỉnh sửa mất khả năng biểu hiện gen khi bị pathogen xâm nhiễm, không có biểu hiện ảnh hưởng của gen nền ở lá lúa và túi phấn, cho kết quả kháng bệnh và năng suất bình thường. Người ta sàng lọc con lai của một họ của cây lúa bao gồm thụ tinh bình thường và kháng bệnh, trong quần thể ấy  trình tự DNA mục tiêu bị mất đoạn và đoạn phân tử transgene ngoại sinh được phân lập trong thế hệ T₁  (dòng không có transgene: transgene-free line). Tính trạng nông học quan trọng của thế hệ T₂ được khảo sát. Thế hệ T₂  có/không có phân tử DNA ngoại lai biểu thị không khác biệt có ý nghĩa về thống kê so sánh với cây nguyên thủy (WT: wild type) ở giai đoạn lúa trổ bông, chiều cao cây, số bông trên bụi, chiều dài bông, hoặc tỷ lệ hạt chắc trên đồng ruộng. Hai giống lúa cổ truyền, Kongyu131 (KY131, Geng/japonica) và Huanghuazhan (HHZ, Xian/indica), được chuyển nạp thành công, dòng lúa kháng bệnh và có khả năng thụ tinh được thu thập. Hiện nay, chúng là hai giống lúa truyền thống quan trọng tại Trung Quốc có thể được sử dụng để sản xuất trực tiếp trên đồng ruộng sau khi cải tiến. Biểu hiện của gen trội Xa13 trên lá cây lúa transgenic (KY-PD và HHZ-PD) không bị kích thích sau khi chủng pathogen, cho thấy phương pháp này có thể được áp dụng phổ cập trên toàn thế giới và rất hiệu quả để tăng cường sự ứng dụng gen xa13, một gen lặn, đa tính trạng, trong trường hợp di truyền tính kháng bệnh bạc lá lúa. Nghiên cứu về điều tiết sự biểu hiện của gen bằng phương pháp editing noncoding regions (chỉnh sửa vùng không mang mật mã di truyền) cung cấp một ý tưởng mới để phát triển “chọn giống phân tử” trong tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36010612/  

Hình: Sơ đồ của vector chỉnh sửa trình tự DNA ở promoter Cas9: P1+P2. Kết quảcủa chỉnh sửa Xa13 promoter nhờ hệ thống Cas9: P1+P2 trong hai giống lúa cổ truyền.