Tuần tin khoa học 821 (09-15/01/2023)

Di truyền tính trạng nẩy mầm hạt và chống chịu mặn của cây lúa

Nguồn: Ying He, Weiting Chen, Juhong Tan, Xixiu Luo, Yanjin Zhou, Xiaoting Gong, Juan Yao, Chuxiong Zhuang & Dagang Jiang. 2022. Rice CENTRORADIALIS 2 regulates seed germination and salt tolerance via ABA-mediated pathway. Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4245–4259

Một họ gen phụ FT/TFL1 bao gồm gen trong cây lúa CENTRORADIALIS 2, được quen gọi là RCN1, điều hòa tín trạng nẩy mầm hạt thóc và làm gia tăng tính chống chịu mặn thông qua lộ trình tín hiệu ABA. Tổng hợp chất ABA và biến dưỡng ABA để điều tiết các gen thường bị thay đổi ở mức độ biểu hiện gen tương đối khác nhau.

Hạt nẩy mầm là một tiến trình sinh học vô cùng phức tạp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Cho dù có một số lượng gen liên quan đến nẩy mầm hạt đã được báo cáo, nhưng cơ chế phân tử của nội dung điều hòa sự nẩy mầm hạt như thế nào vẫn chưa rõ ràng. Ở đây, các tác giả ghi nhận rằng gen OsCEN2 trong cây lúa có thể điều tiết một cách bị động hiện tưởng nẩy mầm hạt thóc. Tốc độ nẩy mầm có hạt thóc có gen OsCEN2-RNAi nhanh hơn đáng kể trong khi hạt có sự biểu hiện mạnh mẽ gen OsCEN2 (hạt OE) chậm hơn rất nhiều lần so với đối chứng (wild type: WT). Kết quả chạy qRT-PCR cho thấy sự biểu hiện gen OsCEN2 được tăng lên ở giai đoạn đầu của hạt nẩy mầm. Sử dụng nguồn abscisic acid (ABA) từ bên ngoài đưa vào hạt và đưa vào cây mạ cho thấy hạt và cây mạ có gen OsCEN2-OE hết sức nhạy cảm với ABA khi lúa nẩy mầm và tăng trưởng sau nẩy mầm, theo thứ tự. Việc xác định hàm lượng ABA đưa vào hạt để xử lý cho thấy hàm lượng ABA của hạt lúa OsCEN2-RNAi thấp hơn đáng kể, trong khi, hạt lúa OsCEN2-OE biểu thị cao hơn. Bên cạnh đó, cây lúa transgenic thay đổi tính chống chịu mặn bởi mức độ ABA thay đổi. Hơn nữa, những khác biệt quan sát được trong sự biểu hiện các gen có liên quan đến tổng hợp và biến dưỡng ABA trong các hạt lúa thử nghiệm này thuộc dòng lúa transgenic OsCEN2. Kết quả nghiên cứu xác định OsCEN2 điều tiết tốc độ nẩy mầm bởi ảnh hưởng của hàm lượng ABA trong giai đoạn lúa nẩy mầm và cung cấp một luận điểm khoa học phục vụ lúa sạ thẳng.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04215-8

Di truyền màu thân dưa Cucurbita pepo “xanh đậm”

Nguồn: Lei Zhu, Yong Wang, Zhenli Zhang, Deju Hu, Zanlin Wang, Jianbin Hu, Changsheng Ma, Luming Yang, Shouru Sun & Yanman Li. 2022. Chromosomal fragment deletion in APRR2-repeated locus modulates the dark stem color in Cucurbita pepo. Theoretical and Applied Genetics December 2022; vol. 135: 4277–4288

Gen Cp4.1LG15g03420 (CpDsc-1) mã hóa protein APRR2 (two-component response regulator-like protein) trong nhân tế bào. Gen này ảnh hưởng đến sự hình thành màu thân dưa “xanh đậm” (dark green) Cucurbita pepo bởi điều tiết được hàm lượng diệp lục tố.

Màu thân là tính trạng nông học quan trọng đối với loài dưa zucchini (Cucurbita pepo) làm cho năng suất cao. Tuy nhiên, gen điều khiển tính trạng màu sắc thân (stem color) cho đế nay vẫn chưa được định tính. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta phân lập được một locus đơn gắn với tính trạng màu sắc thâm “dark green” của loài dưa C. pepo (CpDsc-1). Phân tích di truyền tính trạng nông học này trong quần thể con lai đang phân ly từ tổ hợp lai (dòng 296 có thân màu “dark green” và dòng 274 có thân màu “light green”). Kết quả cho thấy tính trạng màu thân được điều khiển bởi một gen đơn trội (dark green so với light green). Kết quả phân tích BSA (bulked segregant analysis) cho thấy: gen CpDsc-1 định vị trên bản đồ di truyền ở vùng có độ lớn phân tử 2.09-Mb trên nhiễm sắc thể 15. Vùng đích được thu hẹp lại còn 65.2 kb thông quan phân tích “linkage” trong quần thể con lai F₂. Kết quả chạy trình tự DNA cho thấy có một mất đoạn 14 kb ở giữa gen Cp4.1LG15g03420 và Cp4.1LG15g03360; hai gen này đều mã hóa protein APRR2. Cấu trúc không đầy đủ của hai gen APRR2 và các thể lạp không bình thường của dòng 274 có thể được xem là nguyên nhân chính của kiểu hình “light green”. Phân tích phổ biểu hiện gen cho thấy chỉ có gen Cp4.1LG15g03420 điều tiết theo kiểu “up” trong dòng 296. Phân tích định vị tế bào phụ cho thấy gen Cp4.1LG15g03420 là gen ở trong nhân. Hơn nữa, một chỉ thị phân tử có tính chất co-dominant là  G4563 (đạt 93% độ chính xác), và một chỉ thị phân tử mang tính chất co-segregation là Fra3, được thiết kế từ 111 nguồn vật liệu di truyền khác nhau; cả hai markers này liên kết chặt với tính trạng màu sắc thân. Nghiên cứu cung cấp kiến thức về cơ chế điều tiết diệp lục tố và cho ra những markers hữu ích phục phục chọn giống nhờ chỉ thị phân tử trong tương lai giống dưa zucchini.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04217-6

Di truyền gen kháng rầy nâu Bph44 của hệ gen cây lúa

Nguồn: Iwan Kiswanto, Lita Soetopo, Afifuddin Latif Adiredjo. Identification of novel candidate of brown planthopper resistance gene Bph44 in rice (Oryza sativa L.). Genome; 2022 Oct 1;65(10):505-511.

Rầy nâu (BPH, Nilaparvata lugens Stål) vẫn được xem là nguy cơ lớn nhất cho canh tác lúa. Khai thác nguồn gen kháng rầy mới liên quan đến quần thể rầy nâu đang hiện diện trên vùng trồng lúa cụ thể nào đó luôn luôn được xem là giải pháp hữu ích. Người ta tiến hành phân lập và định vị trên bản đồ di truyền locus mang gen kháng thông qua 175 dòng con lai trong quần thể F_2:3 dẫn xuất từ cặp lai Balamawee × PD601. Phân tích genomic để xác định được gen ứng cử viên điều khiển tính kháng BPH. Người ta tìm thấy một locus di truyền mới quy định tính kháng BPH trên vai dài của nhiễm sắc thể 4 liên kết chặt với chỉ thị phân tử Q31 và RM17007 ở quãng phân tử 4.76 và 5.42 cM, theo thứ tự, biến thiên kiểu hình tổng số là 52.21% ở mức độ có ý nghĩa thống kê LOD 29.68. Cơ chế tính chống chịu ảnh hưởng đến bản chất tự nhiên của tính kháng, được biểu thị trong “Functional Plant Loss Index”. Mức độ kháng, cơ chế tính kháng, và bản đồ vật lý cho thấy các gen kháng trong nghiên cứu này khác với kết quả nghiên cứu trước đây, do vậy, người ta đề nghị đây là gen mới có tên là Bph44.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35863076/

Di truyền tính kháng Nilaparvata lugens và Cnaphalocrocis medinalis trong gốc lúa chét

Nguồn: Qian-Qian Deng, Mao Ye, Xiao-Bao Wu, Jia Song, Jun Wang, Li-Na Chen, Zhong-Yan Zhu, Jing Xie. 2022. Damage of brown planthopper (BPH) Nilaparvata lugens and rice leaf folder (LF) Cnaphalocrocis medinalis in parent plants lead to distinct resistance in ratoon rice. Plant Signal and Behavior; 2022 Dec 31;17(1):2096790.

Phản ứng tự vệ khi có sâu hại tấn công là phản ứng hết sức chuyên biệt (specific), trong khi đó, cây trồng có thể kích thích những phản ứng tự vệ khác tương ứng với với xâm nhiễm gây hại của loài sâu tấn công thuộc “herbivorous” khác nhau. Rầy nâu (BPH) Nilaparvata lugens, là côn trùng chích hút nhựa cây lúa, trong khi, sâu cuốn lá nhỏ (LF) Cnaphalocrocis medinalis, là côn trùng ăn lá. Cả hai đầu là những “herbivores” chuyên nghiệp săn tìm cây lúa để phá hại. Muốn định tính bản chất kháng một cách khác biệt này bởi cách thức gây hại của hai herbivores chuyên nghiệp, người ta tiến hành thực hực nghiên cứu tính kháng đối với hai loài côn trùng ấy trong giai đoạn tăng trưởng của cây lúa gốc (parent) và đánh giá tính kháng của cây chủ ở giai đoạn lúa chét (ratoons). Ở đây, người ta ghi nhận LF và BPH kích thích phản ứng hệ thống tự vệ hết sức khác nhau trong cây lúa gốc (parent), LF kích thích nhiều hơn tín hiệu tích tụ JA và OsAOS, OsCOI1 transcripts, trong khi đó, BPH sự tích tụ cao hơn SA và OsPAL1 transcripts. Bên cạnh đó, một sự mất đi tạm thời tính kháng LF được quan sát trong nghiệm thức dòng lúa OsAOS, OsCOI1 RNAi. Cây lúa chét (ratoon) tái sinh từ lúa gốc (parents) thu nhận sự nhiễm của sâu LF trước đó, biểu hiện hàm lượng jasmonic acid (JA) cao hơn và mức độ gia tăng các phân tử transcripts của gen liên quan đến tự vệ gắn liền với truyền tín hiệu JA, trong khi cây lúa chét từ lúa gốc thu nhận sự xâm nhiễm trước đó của rầy nâu BPH thì biểu hiện mức độ cao hơn salicylic acid (SA) và gia tăng mức độ phân tử transcripts của gen liên quan đến phản ứng tự vệ với sự truyền tín hiệu SA. Hơn nữa, sự xâm nhiễm trước đó của LF rõ ràng là đã làm tăng tính kháng của cây lúa chét đối với LF, trong khi sự xâm nhiễm trước đó của BPH dẫn đến làm tăng tính kháng BPH của cây lúa chét. Sự kiện “pre-priming” của tự vệ cây lúa chét đối với LF làm giảm đi đáng kể cây OsAOS và OsCOI1 RNAi, nhưng sự im lặng của OsAOS và OsCOI1 không tiết giảm tính kháng của lúa chét đối với rầy nâu. Kết quả gợi ra rằng sự xâm nhiễm của hai loài côn trùng này (specialist herbivores) có cách ăn khác nhau, cách phá hại khác nhau trong vụ lúa gốc (parent crop) dẫn đến phản ứng tự vệ khác nhau trong vụ lúa chét sau đó, và tính kháng sâu cuốn lá nhỏ có được trong cây lúa chét gắn liền với cách tạo mồi (priming) tín hiệu jasmonic acid trong phản ứng tự vệ của cây lúa.  

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35876337/

Chỉnh sửa gen cây đậu phụng thông qua CRISPR/nCas9

Nguồn: Anjanasree K Neelakandan, Binita Subedi, Sy M Traore, Papias Binagwa, David A Wright, Guohao He. 2022. Base Editing in Peanut Using CRISPR/nCas9. Front Genome Ed.; 2022 May 12; 4:901444.  doi: 10.3389/fgeed.2022.901444. 

Đậu phụng (Arachis hypogaea L.), loài cây họ Đậu có bộ nhiễm sắc thể tứ bội (allotetraploid) thuộc họ Fabaceae. Cây phát triển tốt ở vùngnhiệt đới và cận nhiệt đới. Cây được xem như loài cho dầu thực vật triển vọng của thế giới. Gia tăng hàm lượng oleic acid trở thành mục tiêu chủ yếu trong cải tiến gio61mng đậu phụng hiện nay, bởi vì dầu đậu phụng có lợi cho sức khỏe làm giảm cholesterol trong màu, biểu thị tính chất antioxidant và nhiều tiện ích trong công nghệ ví dụ như “shelf life” rất lâu. Chạy trình tự hệ gen đậu phụng cho kết quả gen đồng dạng AhFAD2A và AhFAD2B mã hóa Fatty Acid Desaturase2 (FAD2), enzyme này có chức năng xúc tác sự chuyển hóa của oleic acid mang tính chất “monounsaturated” thành ra linoleic acid mang tính chất “polyunsaturated”. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng các đột biến dịch khung (frameshift) hoặc “stop codon” trong gen FAD2 dẫn đến hàm lượng oleic acid cao hơn trong dầu đậu phụng. Theo nghiên cứu này, 2 vectors biểu hiện là pDW3873 và pDW3876, được thiết kế với cấu trúc sử dụng Cas9 được dung hợp đến những deaminases khác nhau, mà deaminases như vậy được xét nghiệm như công cụ làm kích thích “đột biến điểm” trong promoter và trong trình tự mật mả di truyền của gen AhFAD2. Cả hai “constructs” mang biến thể đơn “nuclease null variant”, nCas9 D10A, đến vị trí PmCDA1 cytosine deaminase được dunhg hợp tại gốc C (pDW3873) trong khi rAPOBEC1 deaminase và uracil glycosylase inhibitor (UGI) được dung hợp tại gốc N và gốc C, theo thứ tự (pDW3876). Ba gRNAs được dòng hóa một cách độc lập trong cả hai constructs. Chức năng và hiệu quả được người ta đánh giá tại 3 vị trí đích của gen AhFAD2. Cả hai constructs tiến hành hoạt động chỉnh sửa base, trong đó, cytosine được thay bằng thymine hoặc các bases khác trong cửa sổ chỉnh sửa gen đích. Vector pDW3873 có hiệu quả cao hơn so với pDW3876. Như vậy, pDW3873 là editor tốt hơn trong chỉnh sửa gen của hệ gen cây đậu phụng. Đây là bước quan trọng trong nội dung tạo đột biế có chủ đích vào các giống ưu việt có thể mất 15 năm làm ra công cụ ấy tạo thuận lợi cho nhà chọn giống đậu phụng, nông dân, công nghệ và người tiêu dùng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35647579/

Hình: Vectors và vùng đích của chỉnh sửa gen trong nghiên cứu này.