Tuần tin khoa học 813 (14-20/11/2022)

Di truyền tính trạng carotenoid trong hệ gen cây sắn

Nguồn: Janardanan Sreekumar, P A Muhammed Sadiq, Saravanan Raju, Archana Mukherjee. 2022. In silico analysis of carotenoid biosynthesis pathway in cassava ( Manihot esculenta Crantz). J Genet.; 2022; 101:2. https://doi.org/10.1007/s12041-021-01345-8

Sản phẩm apocarotenoids đóng vai trò quan trọng trong tăng trưởng và phát triển thực vật, đặc biệt là strigolactones, chúng có thể kích thích hệ rễ và giúp cho rễ tương tác với các vi sinh vật cộng sinh sống trong cây. Chúng có thể hoạt động như những colorants, antioxidants, hormones, các hợp phần truyền tín hiệu, hợp chất tạo mùi thơmvà những chromophores. Tiếp cận những phương pháp nghiên cứu in silico là cách tiếp cận có giá trị làm giảm đi tính chất phức tạp trong khi xem xét hệ thống gen của cây giúp chúng ta phát triển chiến thuật mới về sinh học và tin sinh học của chương trình cải tiến giống cây trồng. Phân tích in silico hệ gen so sánh của những gen chủ yếu mã hóa enzymes có trong sinh tổng hợp apocarotenoid của cây sắn được tiến hành thực hiện thông qua cây arabidopsis, cà chua, khoai tây và khoai lang. Bốn mươi gen carotenoid được người ta phân lập, và các trình tự nucleotide được kiểm soát khi phân tích nhiều trình tự thông thường khác nhau ví dụ như dự đoán được phiên mã, phân tích đảo CpG, phân tích microRNA bình thường và phân tích trình tự promotor. Các trình tự protein tương đồng được xác định thông qua phân tích domain/motif và phân tích cây gia hệ. Phổ biểu hiện gen apocarotenoid của cây sắn được báo cáo và kết quả dự đoán được sự định vị trên subcellular được tiến hành để xác định sự phân bố của những protein này. Kết quả cho thấy những domain của protein apocarotenoid là phân tử có bản chất bảo tồn trong loài cây ôn đới và cây sắn. Mười tám phân tử TFs (transcription factors) như MYB, BBR-BPC, bHLH và NAC được kết hợp bởicác gen carotenoid trong cây sắn. Các gen apocarotenoid này được tìm thấy thể hiện trong hầu hết các cơ quan của cây. Những gen như vậy phân bố trên 17 nhiễm sắc thể thuộc 18 nst cây sắn và một phần ba chứa đựng được con số lớn nhất của những gen ấy. Phân tích miRNA đã xác định được ba microRNAs, đó là miR159a, miR171b và miR396a kết hợp có ý nghĩa với sinh tổng hợp carotenoid của cây sắn và lộ trình này được tái cấu trúc bởi sự tích hợp thông tin nói trên. Một sự hiểu hbiết tốt về các gen này và lộ trình liên quan đến sinh tổng hợp carotenoid của sắn sẽ làkết quả rất hữu ích cho chương trình cải tiến giống sắn giàu carotenoid.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35129135/

Tổng quan về hệ gen cây sắn

Nguồn: Jessica B Lyons, Jessen V Bredeson, Ben N Mansfeld, Guillaume Jean Bauchet, Jeffrey Berry, Adam Boyher, Lukas A Mueller, Daniel S Rokhsar, Rebecca S Bart. 2022. Current status and impending progress for cassava structural genomics. Plant Mol Biol.; 2022 Jun; 109(3):177-191. doi: 10.1007/s11103-020-01104-w. 

Người ta tiến hành tổng kết lại các thành tự trong nghiên cứu về hệ gen cây sán dị hợp tử làm thực phẩm quan trọng (Manihot esculenta), và tóm lược lại nguồn hệ gen sắn quan trọng. Sắn, Manihot esculenta Crantz, là loài cây trồng có tầm quan trọng về xã hội và nông nghiệp của vùng nhiệt đới trên thế giới. Hệ gen học (genomics) cung cấp cho chúng ta một nền tảng kiến thức đ6ẻ tiến hành cải tiến giống sắn đối với tính trạng nông học và dinh dưỡng, cũng như làm rõ những nội dung về lịch sử thuần hóa giống sắn trồng. Bản chất dị hợp tử của hệ gen cây sắn được người ta ghi nhận rất phổ cập. Tuy nhiên, việc phát triển đầy đủ luận điểm ấy về bản chất dị hợp tử (heterozygosity) còn rất nhiều khó khăn  để minh chứng bởi vì có quá nhiều hạn chế về công nghệ trong genome sequencing cây sắn. Gần đây, với sự có mặt của công nghệ mới “long-read sequencing”, người ta có thể phân tích được hệ gen học của nhiều loài sinh vật có mức độ khó như hệ gen cây sắn. Với tiến bộ  mới ấy, người ta cung cấp trong bài tổng quan này tư liệu hóa hiện trạng nghiên cứu hệ gen cây sắn và nguồn genomic cung cấp cho chúng ta triển vọng nghiên cứu của nhiều năm tới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33604743/

Di truyền từ teosinte đến giống bắp trồng

Nguồn: Qingjun Wang, Zhengqiao Liao, Chuntao Zhu, Xiangjian Gou, Yaxi Liu, Wubing Xie, Fengkai Wu, Xuanjun Feng, Jie Xu, Jingwei Li & Yanli Lu. 2022.  Teosinte confers specific alleles and yield potential to maize improvement. Theoretical and Applied Genetics October 2022; vol. 135: 3545–3562

Hình: Sự tiến hóa về hoa cái (hạt bắp) từ teosinte đến bắp trồng maize (nguồn: J.A.S,)

Teosinte cải tiến năng suất hạt giống bắp trồng và làm giàu nguồn gen trong ngân hàng gen cây bắp. Bảy mươi mốt QTLs liên quan đến 24 tính trạng biểu trưng giữa cây bắp và cây teosinte được xác định. Bắp là loài cây trồng chủ lực trong mễ cốc có ngân hàng gen khá hẹp (narrow germplasm) làm hạn chế năng suất và gây khó khăn cho chương trình lai tạo giống mới. Teosinte, tổ tiên của giống bắp trồng có nguồn tài nguyên di truyền vô cùng phong phú phục vụ cho chương trình cải tiếnh giống bắp. Muốn xác định những alen lạ của teosinte  có khả năng du nhập đuộc vào hệ gen cây bắp (alien alleles) trong cải tiến năng suất của giống bắp mới, người ta thực hiện  4 quần thể của tổ hợp lai hồi giao và quần thể cận giao tái tổ hợp, rồi mang trồng con lai ở 5 điều kiện khác nhau. Quần thể North Carolina mating design II được tiến hành nghiên cứu các dòng cận giao với nền tảng chọn phả hệ B73 và Mo17 để phân tích khả năng phối hợp của vật liệu lai. Sự biến thiến rất mạnh mẽ của kiểu hình đối với 26 tính trạng của 4 quần thể RIL được ghi nhận, trong đó,  barren tip length, kernel height, và test weight biểu thị khả năng cải tiến di truyền rất lớn. Con lai FM132 (BD138/MP116) cho năng suất tối ưu, với năng suất đạt 4.86%. Hơn nữa, dòng cận giao BD138 và MP048 biểu thị khả năng phối hợp chung về năng suất cao hơn các đối chứng khác.Người ta tiến hành sàng lọc di truyền với 4.964.439 SNPs chất lượng cao trong hệ gen dòng BD (B73/Zea diploperennis) quần thể RIL (cận giao tái tổ hợp) phục vụ bin construction và sử dụng 2322 bin markers để xây dựng bản đồ di truyền, bản đồ QTL. Thông qua kết quả phân tích “inclusive composite interval mapping”, có 71 QTL liên quan đến 24 tính trạng biểu hiện đặc trưng. Tiến hành annotation trình tự các gen và biểu hiện phiên mã cho thấy: Zm00001eb352570 và Zm00001eb352580, được giải thích là yếu tố phiên mã đáp ứng với ethylene, đó là những gen ứng cử viên then chốt có khả năng điều tiết chiều cao bắp trái  và tỷ lệ bắp so với chiều cao thân. Kết quả chỉ ra rằng teosinte có thể mở rộng được mức đa dạng di truyền của ngân hàng gen cây bắp, cải thiện năng suất bắp, cung cấp được nhiều alen mong muốn cho chương trình lai giống bắp mới.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04199-5

Chỉnh sửa gen OsDjA2 và OsERF104 giúp cây lúa kháng bệnh đạo ôn

Nguồn: Fabiano T.P.K.Távora, Anne Cécile Meunier, Aurore Vernet, Murielle Portefaix, Joëlle Milazzo, Henri Adreit, Didier Tharreau, Octávio L. Franco, Angela Mehta. 2022. CRISPR/Cas9-Targeted Knockout of Rice Susceptibility Genes OsDjA2 and OsERF104 Reveals Alternative Sources of Resistance to Pyricularia oryzae. Rice Science; Volume 29, Issue 6, November 2022, Pages 535-544

Gen OsDjA2 và OsERF104, mã hóa chaperone protein và APETELA2/ ethylene-responsive factor, theo thứ tự. Chúng là hai gen kích hoạt rất mạnh mẽ trong tương tác giữa cây lúa và nấm gây bệnh đạo ôn, chúng còn có chức năng trong lây nhiễm bệnh cây khi cho “gene silencing”. Người ta ghi nhận knockout gen bằng hệ thống CRISPR/Cas9 đối với OsDjA2 và OsERF104 dẫn đến kết quả cải tiến được tính kháng bệnh đạo ôn. Có tất cả 15 OsDjA2 (62.5%) và 17 OsERF104 (70.8%) cây T₀ (dòng chuyển nạp)  được phân lập từ 24 cây tái sinh đối với từng mục tiêu, rồi sử dụng những thí nghiệm downstream tiếp theo đó. Đánh giá kiểu hình cây T₁ mutant đồng hợp tử không những cho kết quả giảm đáng kể số vết bệnh trên lá mà còn giảm được % diện tích vùng lá bị bệnh, so với đối chứng. Kết quả cho thấy đột biến có chủ đích nhờ hệ thống CRISPR/Cas9 giúp gen gây nhiễm bệnh cây lúa trở thành genkháng bệnh phục vụ hiệu quả chương trình lai tạo giống lúa cao sản kháng đạo ôn.

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672630822000762

Hình 1. Thiết kế hệ thống CRISPR/Cas9 và xét nghiệm T7EI đối với hoạt động chỉnh sửa gen của sgRNA.