Tuần tin khoa học 818 (19-25/12/2022)

GWAS với tính trạng năng suất và phẩm chất bắp trong điều kiện bón N bình thường và bón thiếu đạm

Nguồn: Noel Ndlovu, Charles Spillane, Peter C. McKeown, Jill E. Cairns, Biswanath Das & Manje Gowda. 2022. Genome-wide association studies of grain yield and quality traits under optimum and low-nitrogen stress in tropical maize (Zea mays L.). Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4351–4370

Genome-wide association study (GWAS) đã minh chứng được rằng các vùng khác nhau của hệ gen có ảnh hưởng nhất định đến phẩm chất hạt trong điều kiện đất đói đạm. Sử dụng mô hình dự đoán sàng lọc di truyền (genomic prediction), kết quả hiệu quả chọn lọc (GA: genetic gains) có thể được cải tiến thông qua chọn lọc các tính trạng có liên quan đến phẩm chất hạt bắp.

Đất đai vùng cận sa mạc Sahara (sub-Saharan Africa) rất thiếu nitrogen do bón phân quá ít và quản lý độ phì nhiêu đất kém. Điều này làm cho chênh lệch giữa năng suất thực tế và năng suất lý thuyết cách biệt có ý nghĩa cho cây bắp, làm cho an ninh dinh dưỡng cũng bị ảnh hưởng và mức ổn định về anh sinh xã hội kém trong các vùng như vậy. Nghiên cứu cơ sở di truyền của hàm lượng protein trong hạt bắp, tinh bột và dầu trong điều kiện đất đói đạm (nitrogen-starved soils) có thể làm gia tăng sự hiểu biết của chúng ta trong quản lý tốt hệ thống di truyền và cải tiến mức độ hiệu quả của chương trình lai tạo giống bắp tương lai. Tập đoàn giống được sử dụng để xây dựng bản đồ di truyền kiểu “association mapping” bao gồm 410 dòng bắp cận giao và 4 quần thể con lai “bi-parental”  được người ta đánh giá trên đồng ruộng tại Kenya và South Africa trong nghiệm thức bón N tối hảo và nghiệm thức bón nitrogen thấp; đánh giá kiểu gen nhờ bộ chỉ thị SNP bao gồm 259.798 markers. Tương quan di truyền cho thấy những quần thể như vậy có thể được sử dụng để chọn lọc ra các dòng ưu việt trong điều kiện stress bởi nitrogen thấp. Bên cạnh đó, giống (G), môi trường (E) và tương tác GxE trong nghiệm thức đất đói đạm đã được tìm thấy khác biệt rất có ý nghĩa về hàm lượng dầu trong hạt bắp. Hệ số di truyền theo nghĩa rộng biến thiên từ giá trị trung bình (0.18) đến caoh (0.86). Trong nghiệm thức có stress do nitrogen thấp, kết quả GWAS xác định được 42 chỉ thị SNPs liên kết chặt với tính trạng liên quan đến phẩm chất hạt. Những chỉ thị phân tử SNPs có ý nghĩa như vậy đã gắn với  51 gen ứng cử viên giả định (putative candidate genes). Kết quả chạy trên bản đồ “linkage mapping” đã xác định được nhiều QTLs quy định các tính trạng phẩm chất hạt bắp. Trong điều kiện nitrogen thấp, mức độ dự đoán chính xác di truyền trung bình thông qua các vật liệu giống bắp ấy đều cho hàm lượng dầu trong hạt cao hơn (0.78) và năng suất thấp hơn (0.08). Kết quả này chỉ ra rằng phẩm chất hạt là tính trạng đa gen, sử dụng “genomic selection” (sàng lọc di truyền) trong chọn tạo giống bắp có thể cải tiến được hiệu quả chọn lọc (genetic gain). Hơn nữa, các vùng được xác định trong hệ gen này và những chỉ thị phân tử SNP có thể được sử dụng dòng bắp cao sản có phẩm chất hạt mong muốn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04224-7

Hình 2: Sơ đồ Manhattan và “quantile–quantile plots” có được nhờ  mô phỏng “mixed linear” (đa tuyến) đối với năng suất hạt (A), hàm lượng protein (B), hàm lượng tinh bột (C), hàm lượng dầu (D) trong nghiệm thức nghèo phân N.

Di truyền tính kháng bệnh “Fusarium stalk rot” trên nhiễm sắc thể 6 của hệ gen cây bắp

Nguồn: Zerka Rashid, Veerendra Babu, Shyam Sundar Sharma, Pradeep Kumar Singh & Sudha Krishnan Nair. 2022. Identification and validation of a key genomic region on chromosome 6 for resistance to Fusarium stalk rot in tropical maize. Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4549–4563

Vùng đích của hệ gen được xác định đối với tính kháng bệnh FSR tại điểm có kích thước phân tử 168 Mb thuộc nhiễm sắc thể 6 theo kết quả GWAS và phân tích haplotype, chúng được minh chứng bởi kết quả “QTL mapping” trong 2 quần thể.

Fusarium stalk rot (FSR) là bệnh hại trên cây bắp gây thiệt hại về kinh tế  quan trọng sau khi trổ cờ, phun râu, nó còn có tên là PFSR (post-flowering stalk rot). Bệnh do nấm Fusarium verticillioides. Chính pathogen này xâm nhiễm vào thân bắp một cách đơn độc, hoặc kết hợp những pathogen khác gây thối thân, hoặc trở thành những colonizers thứ cấp, do đó, người ta rất khó thực hiện việc chọn lọc chính xác tính kháng bệnh này. Muốn phân lập và minh chứng đầy đủ các vùng mục tiêu trên hệ gen cây bắp có liến quan đến tính kháng bệnh FSR, người ta thực hiện chạy GWAS thông qua 342 dòng bắp. Tập đoàn giống này được sàng lọc bệnh FSR tại 3 vùng sinh thái khác nhau, sử dụng phương pháp “standard artificial inoculation” (chủng bệnh nhân tạo đúng tiêu chuẩn). GWAS chạy trên nền tảng mô phỏng toán học đa tuyến (mixed linear model) được hiệu chỉnh cho đúng với kiến trúc quần thể và “kinship”, trong đó, người ta sử dụng 290.626 chỉ thị phân tử SNPs theo phương pháp GBS (genotyping-by-sequencing). Có tất cả 7 chỉ thị SNPs, 5 chỉ thị trên nhiễm sắc thể 6, biểu hiện giá trị LD mạnh ở vị trí 168 Mb, tất cả xác định có liên quan đến bệnh FSR. Phân tích “haplotype regression” xác định được 32 haplotypes có ảnh hưởng ý nghĩa về thống kê đến tính trạng mục tiêu. Trong “QTL mapping”, với 2 quần thể con lai, người ta minh chứng rõ ràng hơn những  variants đích. Kết qủa QTLs xác định mức tin cậy tại những “intervals” có những “physical coordinates” chồng lấp lên nhau trong cả 2 quần thể con lai tại nhiễm sắc thể 6, mà kết quả GWAS cũng xác đi5ng những variants ấy trên nhiễm sắc thể 6. Vùng mục tiêu này trên hệ gen cây bắp rất cần thiết phục vụ cho nghiên cứu sâu hơn về khả năng phát triển nhiền hơn những markers tính trạng phục vụ cho nhiều chương trình lai tạo giống bắp cải tiến. Ghi nhận rằng có nhiều QTLs đã được báo cáo trước đây về những triệu chứng khác về thối thân đã được mapped trên bản đồ di truyền, trong cùng những “physical intervals” của những haplotypes đã được phân lập đối với tính kháng FSR theo nghiên cứu này. Khả năng của những QTLs kiểm soát phổ kháng rộng bệnh PFSR về tổng thể cũng cần được nghiên cứu sâu.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04239-0

Nguồn vật liệu di truyền cây đậu nành giàu protein

Nguồn: Bingfu Guo, Liping Sun, Siqi Jiang, Honglei Ren, Rujian Sun, Zhongyan Wei, Huilong Hong, Xiaoyan Luan, Jun Wang, Xiaobo Wang, Donghe Xu, Wenbin Li, Changhong Guo & Li-Juan Qiu. 2022. Soybean genetic resources contributing to sustainable protein production. Theoretical and Applied Genetics November 2022; vol. 135: 4095–4121

Tài nguyên di truyền đóng góp vào sản xuất ra lượng protein bền vững từ cây đậu nành.

Đậu nành là loài cây trồng quan trọng cung cấp lương thực, dầu thực vật, và thức ăn gia súc; nó là nguồn thực vật ăn được có dầu và protein. Đạu nành có vai trò cực kỳ quan trọng trong duy trì cán cân dinh dưỡng phục vụ sức khỏe loài người. Protein của đậu nành  là tính trạng di truyền số lượng chủ yếu được kiểm soát bởi hoạt động của các gen có tính cộng (additive effects) và có tương quan nghịch với những tính trạng nông học khác như hàm lượng dầu và năng suất. Tuyển chọn dòng đậu nành ưu việt có hàm lượng protein cao và năng suất cao để đảm bảo sản xuất bền vững protein là một trong những thách thức rất khó cho nhà chọn giống đậu nành. Biến thiên di truyền rất sức phong phú của nguồn tài nguyên di truyền giống đậu nành là cơ sở để người ta vượt qua được trở ngại ấy. Đậu nành đã được con người tìm thấy trên dưới 5.000 năm và nó được phát triển rộng khắp ở Trung Quốc, rồi lan tỏa ra nhiều vùng xung quanh trên thế giới. Nguồn tài nguyên di truyền giàu có này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy sản xuất bền vững protein từ cây đậu nành trên toàn thế giới. Kết quả nghiên cứu này cho thấy vùng khởi nguyên và vùng lan rộng của đậu nành, hiện trạng sản xuất đậu nành; tất cả đều có trong tổng quan ấy; những định tính về di truyền của protein đậu nành và sự phân bố nguồn tài nguyên dựa trên kết quả đánh giá kiểu hình; sự tìm thấy protein trong hạt đậu nành với các gen có liên quan cũng như kết qua nghiên cứu về transcriptomic, metabolomic, và proteomic đậu nành là nổ lực đáng kể của nhân loại; sự sáng tạo và sử dụng nguồn vật liệu giàu  protein được giới thiệu khá đầy đủ; triển vọng của chương trình cải tiến giống cao sản có hàm lượng protein cao cũng được đề cập.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04222-9

Khai thác di truyền biểu sinh loài hoang dại có quan hệ gần với giống cây trồng

Nguồn” Serena Varotto, Tamar Krugman, Riccardo Aiese Cigliano, Khalil Kashkush, Ankica Kondić-Špika, Fillipos A. Aravanopoulos, Monica Pradillo, Federica Consiglio, Riccardo Aversano, Ales Pecinka & Dragana Miladinović. 2022. Exploitation of epigenetic variation of crop wild relatives for crop improvement and agrobiodiversity preservation. Theoretical and Applied Genetics November 2022; vol 135: 3987–4003.

Thuật ngữ “Crop wild relatives” được viết tắt là CWRs có tiềm năng tốt nhất để cung cấp nguồn tính trạng nông học mong muốn cho cải tiến giống cây trồng. Tuy nhiên, cải tiến giống cây trồng thành công theo CWR phải dựa vào sự phân lập các gen có mức độ biến dị di truyền cao, điều khiển những tính trạng mong muốn trong ngân hàng gen cây trồng và phải kết hợp ngay sau đó vào những giống đang canh tác. Sự đa dạng của di truyền biểu sinh (epigenetic diversity) có thể là phương án bổ sung đối với biên thiên này trong các quần thể CWR và có thể đóng góp những epialleles đối với các tính trạng chủ yếu của giống cây trồng cải tiến. Bằng chứng mới đây về những “epigenetic variants” biểu hiện tầm quan trọng về chức năng và về nông học có trong “CWR gene pools”. Nó cung cấp một luận điểm căn bản về công tác bảo tồn những epigenotypes rất thú vị ấy, do đó, nó góp phần vào nội hàm bảo quản tính đa dạng nông sinh học (agrobiodiversity) thông qua bảo tồn và điều tra di truyền biểu sinh (epigenetic monitoring). Những khái niệm, những kỹ thuậttrong chọn giống kinh điển hoặc hiện đại nên xem xét sự tích hợp tiến bộ hiện tại của ngành di truyền biểu sinh, bắt nguồn từ xác định kết hợp của chúng với biến thiên muôn màu muôn vẻ của kiểu hình, rồi đánh giá khả năng di truyền và sự ổn định của những thế hệ con cháu sau đó. Những công cụ mới cho phép phân tích epigenomic cho kết quả mong muốn là cơ hội để nắm bắt được biến thiên di truyền biểu sinh và tích hợp vào chương trình chọn tạo giống mang tên “advanced epi-breeding”. Những tiến bộ của OMICS đã và đang cung cấp cho chúng ta nhiều kiến thức mới vào nguồn tài nguyên di truyền này với biến thiên di truyền biểu sinh, dẫn đến kết quả du nhập hiệu quả những “epi-traits” từ CWR vào giống cây trồng thông qua “epigenetic molecular markers”, ví dụ như “epiQTLs”.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04122-y

Hình: Thực vật đáp ứng với sự thích nghi về sinh lý theo biến đổi môi trường, làm ra biến thiên di truyền qua bao nhiêu năm, tương tác giữa GxE, góp phần làm mềm dẽo hơn kiểu hình của cây, tạo khả năng của một genotype có thể sản sinh nhiều phenotypes khác nhau dưới điều kiện ngoại cảnh khác nhau. Gần đây, cơ chế di truyền biểu sinh được ghi nhận là thành phần quan trọng làm môi giới tương tác giữa GxE và tăng cường nhanh chóng biến thiên kiểu hình trong điều kiện ngoại cảnh thay đổi.