Tuần tin khoa học 809 (17-23/10/2022)

Gen ACS7 và tính trạng tăng trưởng của rễ cây dưa hấu

Nguồn: Ahmed Mahmoud, Rui Qi, Haoshun Zhao, Haiyang Yang, Nanqiao Liao, Abid Ali, Guy Kateta Malangisha, Yuyuan Ma, Kejia Zhang, Yimei Zhou, Yuelin Xia, Xiaolong Lyu, Jinghua Yang, Mingfang Zhang & Zhongyuan Hu. 2022. An allelic variant in the ACS7 gene promotes primary root growth in watermelon. Theoretical and Applied Genetics October 2022; vol. 135: 3357–3373

Tìm kiếm nguồn gen trong quần thể con lai giữa C. lanatus × C. amarus người ta tìm ra một gen, ACS7, liên quan với tính trạng kéo dài rễ sơ cấp của cây dưa hấu.

Dưa hấu là loài cây trồng có tính chất “xerophytic” được định tính bởi rễ sơ cấp rất dài và hệ thống rễ đâm nhánh ngánh cực khỏe. Do vậy, dưa hấu được sử dụng như một mô hình cực tốt để nghiên cứu sự kéo dài của rễ và sự phát triển rễ thực vật. Tuy nhiên, cơ chế di truyền này về sự kéo dài rễ sơ cấp trong cây dưa hấu chưa được biết rõ. Thông qua phân tích BSA (bulk segregant analysis) người ta phân lập ra được một locus di truyền, qPRL.Chr03, điều khiển tính trạng PRL (primary root length: chiều dài rễ sơ cấp) sử dụng hai loài watermelon khác nhau (Citrullus lanatus và Citrullus amarus) ma chúng rất khác biệt nhau về kiến trúc bộ rễ. Kết quả “Fine mapping” cho thấy xaa-Pro dipeptidase và 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase 7 (ACS7) là hai regulators ứng cử viên  của tăng trưởng rễ sơ cấp. Biến thiên alen trong vùng đích của193 mẫu giống dưa hấu khảo sát cho thấy rằng: những alen điều khiển rễ dài ra có thể chỉ xuất hiện trong loài C. amarus. Khá thú vị là, biến thiên trong PRL của mẫu giống dưa hấu thuộc loài C. amarus gắn với một SNP (nonsynonymous single nucleotide polymorphism variant) trong vùng chứa gen ACS7 . Biểu hiện gen ACS7 và hàm lượng ethylene của đỉnh rễ sơ cấp cho thấy rằng ethylene là một regulator có tính chất negative trong sự kéo dài rễ dưa hấu, được trợ giúp bởi 1-aminocyclopropane-1-carboxylate (ACC, tiền chất của ethylene) hoặc 2-aminoethoxyvinyl glycine (AVG, ức chế ACS). Để có những hiểu biết tốt nhất, người ta cung cấp thêm kết quả mô tả lần đầu tiên về cơ sở di truyền của tính trạng rễ kéo dài của cây dưa hấu. Những markers được tìm thấy liên quan chặt với gen ACS7 sẽ giúp cho nhà chọn giống thực hiện thành công chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) đối với tính trạng PRL nhằm cải tiến hiệu quả sử dụng nước và dưỡng chất của cây dưa hấu.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04173-1

Di truyền tính chống chịu thiếu lân của cây lúa

Nguồn: Lu Hong, Wang Fei, Yan Wang, Rongbin Lin, Zhiye Wang, Mao Chuanzao. 2022. Molecular mechanisms and genetic improvement of low-phosphorus tolerance in rice. Plant Cell Environ.; 2022 Oct 8.;  doi: 10.1111/pce.14457.

Phosphorus (P) là nguyên tố đa lượng mà cây trồng có nhu cầu để tăng trưởng và phát dục. Orthophosphate (Pi), một dạng hình P được ưa thích của thực vật khi hấp thu lân, rất dễ dàng bị cố định trong đất, làm hàm lượng lân dễ tiêu rất thấp. Nguồn tài nguyền “phosphate rock” ngày càng hạn chế, phân bón có hiệu quả sử dụng lân thấp, và yêu cầu ngày càng cao của nông nghiệp xanh; tất cả trở nên quan trọng phải làm rõ những cơ chế phân tử liên quan đến phản ứng của cây đối với thiếu lân (P deficiency) và cải tiến hiệu quả sử dụng phosphate của cây trồng. Hơn 20 năm qua, tiến bộ to lớn của nội dung này đã và đang được hiểu nhiều hơn về những cơ chế điều tiết di truyền của phản ứng cây đói lân (P starvation). Ở đây, nhóm nghiên cứu viên đã tổng hợp lại một cách hệ thống các kết quả nghiên cứu gần đây về cơ chế của “Pi acquisition” (hấp thu P), vận chuyển P, và phân phối P từ vùng rễ cho đến chồi thân; sự phân phối lại Pi và sử dụng lại Pi trong chu kỳ tăng trưởng & phát dục của cây; những cơ chế phân tử của vi khuẩn cộng sinh trong cây lúa (Oryza sativa L.) khi thiếu lân. Người ta còn thảo luận nhiều chiến lược để làm thế nào tăng cường mức độ hiệu quả sử dụng P làm tăng năng suất lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36208118/

Hệ gen bọ phấn trắng Bemisia tabaci có những gen giống như gen thực vật

Nguồn: Clément Gilbert, Florian Maumus. 2022. Multiple horizontal acquisitions of plant genes in the whitefly Bemisia tabaci. Genome Biology and Evolution, evac141, 26 September 2022. 

Sự phát triển HGT (horizontal gene transfer) đặt ra câu hỏi: có phải vận chuyển gen theo chiều ngang là kết quả tiến hóa của sinh vật bậc cao “eukaryote”? Câu trả lời vẫn còn bỏ trống. Hai nghiên cứu gần đây ghi nhận rằng: bốn gen giống như gen của thực vật có được, thông qua hai sự kiện (events) HGT của hệ gen bọ phấn trắng (whitefly: Bemisia tabaci), một đối tượng côn trùng gây hại chủ lực của nông nghiệp (Lapadula et al. 2020; Xia et al. 2021). Người ta tổng hợp được 49 gen giống như gen thực vật (plant-like genes) dẫn xuất từ ít nhất 24 sự kiện độc lập HGT (independent HGT events) trong hệ gen bọ phấn trắng quần thể MEAM1. Sự đồng dạng (orthologs) của những gen như vậy có mặt ở ba loài B. tabaci bí ẩn, chúng được lồng ghép một cách có tính chất huyết thống (phylogenetically nested) trong những trình tự DNA thực vật, chúng biểu hiệndưới điều kiện chọn lọc thuần khiết. Những chức năng của gen được dụ đoán là hầu hết chúng có trong tương tác giữa cây chủ và côn trùng. Do đó, HGT của cộng đồng cây chủ và côn trùng có thể làm cho sự tiến hóa nói trên thuận lợi hơn của con B. tabaci để chúng thích ứng với phổ ký chủ hết sức rộng lớn. Nghiên cứu này cho thấy HGT giữa “eukaryote-to-eukaryote” có thể đã và đang diễn ra khá phổ biến, chúng cung cấp những gen ứng cử viên mới mà các gen ấy hữu ích để cải tiến được chiến lược kiểm soát bọ phấn trắng trên nhiều loài cây trồng.

Xem https://academic.oup.com/gbe/advance-article/doi/10.1093/gbe/evac141/6717574?login=false

OsMADS27 làm tăng cường tính chống chịu mặn của cây lúa

Nguồn: Alamin Alfatih, Jing Zhang, Ying Song, Sami Ullah Jan, Zi-Sheng Zhang, Jing-Qiu Xia, Zheng-Yi Zhang, Tahmina Nazish, Jie Wu, Ping-Xia Zhao, Cheng-Bin Xiang. 2022. Nitrate-responsive OsMADS27 promotes salt tolerance in rice.Plant Commun; 2022 Oct 4; 100458.  doi: 10.1016/j.xplc.2022.100458. 

Stress mặn là một trở ngại rất lớn đến tăng trưởng và năng suất cây trồng. Phân nitrogen (N) được biết là có khả năng làm nhẹ bớt stress mặn. Tuy nhiên, các cơ chế phân tử vẫn chưa được biết rõ ràng. Người ta minh chứng rằng tính chống chịu mặn có lệ thuộc vảo nitrate được thao tác qua trung gian OsMADS27 trong cây lúa. Sự biểu hiện của protein OsMADS27 đặc biệt được kích hoạt bởi nitrate. Biểu hiện độ nhạy cảm với mặn của OsMADS27 còn mang tính chất lệ thuộc vào nitrate (nitrate-dependent). Những đột biến knockdown OsMADS27 tạo ra dòng lúa nhiễm mặn hơn là cây nguyên thủy (WT: wild type), trong khi đó, dòng lúa có sự biểu hiện mạnh mẽ OsMADS27 tỏ ra chống chịu tốt. Phân tích transcriptomic cho thấy OsMADS27 điều tiết theo kiểu “up” cùng với một số gen được biết trước đây có phản ứng với stress có trong hiện tượng sinh lý “ion homeostasis” (bảo hòa ion) và “antioxidation” (kháng ô xi hóa). Người ta chứng minh rằng OsMADS27 trực tiếp gắn với những promoters của gen OsHKT1.1 và OsSPL7 để điều tiết sự biểu hiện của nó. Đáng chú ý là, tính chống chịu mặn bởi OsMADS27 có tính chất lệ thuộc vào nitrate và tương quan thuận với hàm lượng nitrate. Kết quả cho thấy vai trò của OsMADS27 đáp ứng với nitrate và những gen đích của nó ở downstream biểu hiện chống chịu mặn, đó chính là cơ chế phân tử của tính trạng chống chịu mặn được tăng cường nhờ phân nitrogen trong sản xuất lúa. Hơn nữa, sự biểu hiện mạnh mẽ gen OsMADS27 làm tăng năng suất lúa trong nghiệm thức xử lý stress mặn có bón phân nitrate đầy đủ. Kết quả gợi ra rằng OsMADS27 là một gen ứng cử viên rất triển vọng để cải tiến tính chống chịu mặn của cây lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36199247/

Hình. OsMADS27 đặc biệt phản ứng với nitrate.806.

Di truyền tính chống chịu mặn từ lúa hoang Oryza longistaminata

Nguồn: Lei Yuan, Licheng Zhang, Xiao Wei, Ruihua Wang, Nannan Li, Gaili Chen, Fengfeng Fan, Shaoying Huang, Jianxiong Li, Shaoqing Li. 2022. Quantitative Trait Locus Mapping of Salt Tolerance in Wild Rice Oryza longistaminata. Int J Mol Sci.; 2022 Feb 21; 23(4):2379.  doi: 10.3390/ijms23042379.

Hình: Lúa hoang Oryza longistaminata.

Stress mặn là một trong những đối tượng gây thiệt hại nặng cho sản lượng lúa; độ mặn gia tăng cực trọng làm đe dọa sản xuất lúa trên toàn thế giới. Theo nghiên cứu này, một quần thể con lai hồi giao (BIL) dẫn xuất từ cặp lai giữa giống 9311 và mẫu lúa hoang Oryza longistaminata được tạo ra để xác định các loci di truyền tiềm năng từ lúa hoang O. longistaminata đối với chống chịu mặn. Có 27 QTLs liên quan đến tính trạng chống chịu mặn được xác định trong 140 dòng con lai BILs, và có 17 QTLs hình thành nên bảy “QTL clusters” trên các nhiễm sắc thể khác nhau, trong số đó, có 18 QTLs dẫn xuất từ lúa hoang O. longistaminata, và một QTL có thang điểm tổn thương mặn (SIS: salt injury score), hàm lượng nước trong cây mạ (WCS) ở nghiệm thức xử lý mặn, và hàm lượng nước tương đối trong cây mạ (RWCS) được tái phát hiện, định vị cùng vị trí trên nhiễm sắc thể 2, và một cytochrome P450 86B1 (MH02t0466900) được đề nghị là một gen ứng cử viên tiềm năng có tính chống chịu mặn trên cơ sở phân tích chuỗi trình tự DNA và phân tích đổ biểu hiện của gen. Kết quả nghiên cứu này là cơ sở cho chương trình cải tiến giống lúa trong tương lai, chống chịu mặn thông qua chiến lược “molecular breeding”.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35216499/

Hình: Những QTL được xác định có trong hệ gen lúa hoang Oryza longistaminata

Bên trái: thang chuẩn về độ dài di truyền của mỗi nhiễm sắc thể (tính bằng đơn vị cM)

Mũi tên hướng trên là locus đích của lúa hoang O. Longistaminata.

Mũi tr6n hướng xuống là locus đích của giống lúa 9311.

Màu xanh dương là QTL được tìm thấy trong thí nghiệm đầu tiên; màu đỏ là QTL được tìm thấy trong thí nghiệm thứ hai.