Tuần tin khoa học 820 (02-08/01/2023)

Di truyền tính trạng khối lượng hạt lúa thông qua “meta QTL”

Nguồn: C Anilkumar, Rameswar Prasad Sah, T P Muhammed Azharudheen, Sasmita Behera, Namita Singh, Nitish Ranjan Prakash, N C Sunitha, B N Devanna, B C Marndi, B C Patra, Sunil Kumar Nair. 2022. Understanding complex genetic architecture of rice grain weight through QTL-meta analysis and candidate gene identification. Sci Rep.; 2022 Aug 16;12(1):13832.  doi: 10.1038/s41598-022-17402-w.

Quantitative trait loci (QTL) điều khiển tính trạng khối lượng hạt thóc được người ta phân lập thồng qua quẩn thể lập bản đồ “bi-parental” rồi trồng trên nhiều vùng sinh thái khác nhau. Người ta thấy rằng kết uqa3 thu thập được rất mâu thuẫn. Vai trò của chỉ thị phân tử hết sức khiêm tốn để phục vụ chọn giống; chương trình “dòng hóa trên cơ sở bản đồ di truyền” cũng vậy. Việc xác định vùng QTL mang tính chất nguyên tắc chung (consensus QTL) thông qua các quần thể con lai nói trên rất cần thiết để khai thác các chỉ thị phân tử trong chương trình cải tiến giống lúa. Bây giờ, người ta sử dụng phương pháp “QTL meta-analysis”. Người ta đã đối chiếu thông tin QTL điều khiển khối lượng hạt thóc từ rất nhiều nghiên cứu khác nhau thông qua các quần thể nói trên, tại các ruộng thí nghiệm khác nhau để tìm ra được cái gọi là “constitutive QTL” điều khiển tính trạng khối lượng hạt thóc. Thông qua nguồn thông tin của 114 phân tích meta QTL, người ta tìm thấy có ba Meta-QTL (MQTL) có ý nghĩa thống kê sinh học quy định tính trạng khối lượng hạt thóc, định vị trên nhiễm sắc thể số 3. Theo nguyên tắc “gene ontology”, ba MQTL này có tất cả 179 gen. Trong đó, có 25 gen khẳng định vai trò thuộc chức năng phát triển của gen. Chạy trình tự amino acid BLAST của những gen ấy, kết quả cho thấy khả năng bảo tồn có tính chất hình thái học (orthologue) của chúng trong các loài mễ cốc (cereals) với chức năng rất giống nhau. MQTL3.1 bao gồm các gen OsAPX1, PDIL, SAUR, và OsASN1, chúng gắn liền với tính trạng phát triển hạt thóc, được phát hiện có vai trò sinh tổng hợp và cơ chế biến dưỡng mang tính chất asparagine, chúng rất cần thiết trong điều tiết giữa nguồn và sức chứa (source-sink regulation). Năm gen ứng cử viên được phân lập và phân tích khả năng biểu hiện gen ấy cho thấy rằng có một vai trò hết sức có ý nghĩa vào giai đoạn phát triển hạt đầu tiên. Thông tín trình tự gen theo kết quả của dự án “3 K rice genome” cho thấy hiện tượng mất đoạn của sáu bases mã hóa serine và alanine ở vị trí exon cuối cùng của gen OsASN1 dẫn đến kết quả tổng hợp ra protein có motif là “α-helix”, nó có ảnh hưởng tiêu cực  trong lộ trình sinh tổng hợp asparagine trong giống lúa có khối lượng hạt nhỏ. Bên cạnh đó,  MQTL3.1 được người ta minh chứng bằng marker RM7197 trong tập đoàn giống lúa có kiểu hình hạt thật nặng hoặc thật nhẹ (extreme phenotypes). MQTL giúp chúng ta xác định được và minh chứng được gen điều khiển tính trạng khối lượng hạt thóc làm cơ sở cho MAS trong cải tiến giống lúa và thực hiện map-based cloning.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35974066/

Hình: Phân bố những  QTL liên quan đến tính trạng khối lượng hạt thóc trên 12 nhiễm sắc thể.

Yếu tố phiên mã Golden 2 và QTL điều khiển tính kháng bệnh lùn sọc đen cây lúa

Nguồn: Xuejuan Li, Feng Lin, Chenyang Li, Linlin Du, Zhiyang Liu, Wenjuan Shi, Jianying Lv, Xiaoyan Cao, Ying Lan, Yongjian Fan, Yijun Zhou & Tong Zhou. 2022.  Golden 2-like transcription factor contributes to the major QTL against rice black-streaked dwarf virus disease. Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4233–4243

Hình: Triệu chứng của bệnh Southern rice black-streaked dwarf virus (SRBSDV).

Một QTL chủ lực đã được phân lập trên nhiễm sắc thể 6 của giống lúa Wuke; người ta tìm hiểu khả năng biểu hiện mạnh mẽ (overexpression) của QTL và thực hiện đột biến knockdown để xác định được gen OsGLK1 – gen ứng cử viên của cây lúa điều khiển tính kháng bệnh SRBSDV (Rice black-streaked dwarf virus): bệnh lùn sọc đen do siêu vi.

Bệnh SRBSDV là một trong những bệnh siêu vi gậy thiệt hại năng suất lúa trầm trọng ở Trung Quốc và Đông Á. Tiến bộ trong các chương trình cải tiến giống lúa cao sản kháng bệnh SRBSDV rất hạn chế do thiếu kiến thức về các gen đích có chức năng. Trong nghiên cứu này, người ta tìm ra một QTL chủ lực đối với RBSDV (rice black-streaked dwarf virus) độc lập với gen kháng “rầy nâu” SBPH (small brown planthopper) trên nhiễm sắc thể 6, kích thước phân tử của quãng chứa gen đích là 1.8 Mb; thống qua kết quả phân tích quần thể con lai F_2:3 của tổ hợp lai có nguồn giống lúa kháng bệnh “Wuke”. Những phân tử transcripts biểu trưng của gen có trong vùng đích này được người ta phân tích. Ba gen biểu hiện biến thiên về chuỗi trình tự amino acid trong những domains có chức năng rõ ràng được sàng lọc phục vụ cho chuyển nạp gen (transformation). Các thí nghiệm minh chứng khả năng biểu hện gen mạnh mẽ (overexpression) cho thấy có một gen biểu hiện tính kháng được tăng cường có ý nghĩa thống kê sinh học so với đối chứng. Gen này mã hóa protein có domain Myb và yếu tố phiên mã mang tên Golden 2-like1 (viết tắt là GLK1). Bên cạnh đó, gen đột biến bằng kỹ thuật knockdown OsGLK1 có trong các dòng lúa được người ta nghiên cứu. Khả năng kháng bệnh giảm xuống đáng kể không có gen này so sánh với đối chứng (wild type). Tổng hợp lại, cả kết quả overexpression và knockdown đều khẳng định mạnh mẽ rằng gen OsGLK1 có vai trò quan trọng đối với tính kháng bệnh RBSDV và góp phần vào hình thành nên QTL chủ lực (major QTL) nói trên. Nghiên cứu vạch ra con đường minh chứng cơ chế phân tử về tính kháng bệnh RBSDVD và cung cấp những chỉ thị phân tử hữu ích gắn với gen đích OsGLK1 phục vụ chiến lược MAS có hiệu quả.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04214-9

Di truyền tính kháng bệnh khảm siêu vi trên cây đậu nành (Glycine max L.)

Nguồn: Tongtong Jin, Adhimoolam Karthikeyan, Liqun Wang, Tingxuan Zong, Tao Wang, Jinlong Yin, Ting Hu, Yunhua Yang, Hui Liu, Yongchun Cui, Tuanjie Zhao & Haijian Zhi. 2022. Digs out and characterization of the resistance gene accountable to soybean mosaic virus in soybean (Glycine max (L.) Merrill). Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4217–4232

Một gen ứng cử viên giả định quy định tính kháng bệnh SMV chủng nòi SC1 (strain) được người ta phân lập thành công trên nhiễm sắc thể 2, chỉ thị phân tử liên kết chặt với gen đích cũng được minh chứng trong các giống đậu nành.

Bệnh khảm đậu nành do siêu vi gây triệu chúng khảm là bệnh rất phổ biến trong canh tác đậu nành, làm giảm sản lượng đậu nành tại Huanghuai và vùng ven sông Dương Tử của Trung Quốc. Giống đậu nành Kefeng No.1, biểu hiện tính kháng bệnh đối với chủng nòi (strain) gây khảm siêu vi số 1 (SC1) được thu thập tại Huanghuai khu vực trồng đậu ở sông Dương Tử. Kết quả phân tích di truyền Mendel từ quần thể con lai của cặp lai Kefeng No.1 × Nannong 1138-2 cho thấy rằng Kefeng No.1 có một gen đơn trội điều khiển tính kháng bệnh. Người ta thực hiện “fine-mapping” thông qua quần thể con lai F₂ có tất cả 281 cá thể, gen đích nằm tại vùng có kích thức phân tử 186 kb kề cận với hai thỉ thị phân tử SSR là BS020610 và BS020620 trên nhiễm sắc thể số 2. Trong vùng gen đích này, có tất cả 14 gen khi tham chiếu với  “Williams 82 reference genome”. Kết quả phân tích trình tự cho thấy có sáu gen trong 14 gen ấn biểu hiện trình tự amino acid khác biệt nhau. Một trong số ấy có alen Rsv4 được ký hiệu là gen Rsc1-DR. Kết quả phân tích chức năng gen ứng cử viên so với gen kháng siêu vi BPMV (bean pod mottle virus) được kích hoạt bằng hệ thống làm “câm gen: (VIGS): cho thấy Rsc1-DR có từ giống kháng Kefeng No.1 kháng được SMV-SC1. Kết quả chạy toàn bộ trình tự hệ gen Rsc1-DR, và chỉ thị phân tử Insertion/Deletion (InDel), JT0212, cộng với kết quả đánh giá kiểu gen của 100 giống đậu nành, giá trị “coincidence rate” đạt 89%. Kết quả nghiên cứu này đã làm giàu kiến thức của chúng ta về cơ chế tính kháng bệnh SMV. Marker phát triển từ công trình nghiên cứu này có thể được các nhà chọn giống đậu nành sử dụng để chọn ra các dòng cao sản ưu việt kháng bệnh siêu vi với alen thuận lợi cho các tổ hợp lai, kết quả se tăng cường hiệu quả chọn giống nhờ chỉ thị phân tử đối với tính kgha1ng bệnh SMV.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04213-w

CsSIB1 điều khiển tính kháng bệnh phấn trắng trên cây dưa leo

Nguồn: Junyi Tan, Yuhui Wang, Ronald Dymerski, Zhiming Wu & Yiqun Weng. 2022. Sigma factor binding protein 1 (CsSIB1) is a putative candidate of the major-effect QTL dm5.3 for downy mildew resistance in cucumber (Cucumis sativus). Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4197–4215

Gen dm5.3 thuộc QTL chủ lực của cây dưa leo mã hóa một protein tương đồng với protein “Arabidopsis sigma factor binding protein 1”, được viết tắt là CsSIB1. CsSIB1 tích cực điều tiết phản ứng tự vệ của cây chống lại bệnh phần trắng (downy mildew) trong canh tác dưa leo thông qua tín hiệu của salicylic acid (SA) (lộ trình truyền tín hiệu và sinh tổng hợp).

Bệnh phấn trắng (downy mildew: DM) do nấm oomycete có tên khoa học Pseudoperonospora cubensis gây ra. Bệnh có tầm cỡ quan trọng bậc nhất trong canh tác dưa leo và các loài có quan hệ gần (cucurbits). Tuy nhiên sự hiểu biết về cơ chế phân tử về tính kháng bệnh DM vẫn còn chưa rõ ràng. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta ghi nhận được kết quả phân lập và định tính chức năng của gen ứng cử viên đối với vùng chứa QTL ảnh hưởng chính, gen đích dm5.3 điều khiển tính kháng bệnh DM, xuất xứ từ giống dưa leo PI 197088. Gen dm5.3 QTL được mô phỏng thông qua “marker-assisted development” của quần thể dòng gần như đẳng gen (near isogenic lines: NILs). Quần thể con lai phân ly dẫn xuất từ NIL được sử dụng để thực hiện kỹ thuật “fine mapping”, làm thu hẹp locus dm5.3 xuống còn 144 kb. Trên cơ sở đa dòng làm minh chứng, người ta quan sát được CsSIB1 (CsGy5G027140) mã hóa protein có thuật ngữ khoa học là  VQ motif-containing sigma factor binding protein 1, là gen ứng viên đáng tin cậy nhất dm5.3. Phân tích theo kỹ thuật “local association” người ta xác định được “haplotype” có 7 chỉ thị SNPs bên trong vùng mật mã và vùng chứa promoter của gen CsSIB1. Gen này gắn chặt với sự kiện kháng bệnh DM. Biểu hiện của gen CsSIB1 điều tiết theo kiểu “up” khi có sự xâm nhiễm của nấm P. cubensis. Phổ biểu hiện transcriptome của các dòng NILs khi phản ứng với kết quả chủng nấm P. cubensis cho thấy chúng là những “key players” và cho thấy được hệ thống gen kết gắng với hiện tượng ấy, trong đó, sự biểu hiện gen đích CsSIB1 gia tăng đối kháng với salicylic acid (SA) nhưng ức chế sinh tổng hợp và truyền tín hiệu của jasmonic acid (JA). Kết quả này cung cấp luận điểm khoa học mới về chức năng gen CsSIB1/dm5.3 – gen kháng (R) bệnh của cây dưa leo. Vai trò của các gen mã hóa “sigma factor binding protein” trong hệ thống tự vệ pathogen của hệ gen cây dưa leo được thảo luận khá chi tiết.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04212-x