Tuần tin khoa học 827 (20-26/02/2023)

Khô hạn kéo dài sẽ làm hạn chế tích tụ tinh bột của khoai lang

Nguồn: Minfei Sheng, Houqiang Xia, Huizi Ding, Dongyu Pan, Jinping He, Zongyun Li, Jingran Liu. 2023. Long-Term Soil Drought Limits Starch Accumulation by Altering Sucrose Transport and Starch Synthesis in Sweet Potato Tuberous Root. Int J Mol Sci.; 2023 Feb 3; 24(3):3053. doi: 10.3390/ijms24033053.

Theo kết quả nghiên cứu này, ảnh hưởng của khô hạn bị kéo dài với 3 mức độ:  SRWC (soil-relative water content) 75 ± 5%, làm nghiệm thức đới chứng; SRWC = 55 ± 5%, là nghiệm thức khô hạn nhẹ; SRWC = 45 ± 5%, nghiệm thức khô hạn nặng; người ta nghiên cứu cơ chế biến dưỡng tinh bột sucrose (sucrose-starch) trong rễ củ khoai lang (TRs) bằng thí nghiệm trong chậu. So với nghiệm thức đối chứng, stress khô hạn làm tăng đường hòa tan 4-60% và sucrose 9-75%, làm giảm sự tích tụ tinh bột 30-66% thông qua làm giảm mức độ tích lũy tinh bột trong TRs. Trong củ khoai lang có xử lý khô hạn, sự ức chế việc phân giải sucrose được quy cho là nguyên nhân giảm giảm hoạt tính của acid invertase (AI) và alkaline invertase (AKI) cũng như sự biểu hiện của IbA-INV3, hơn là hoạt tính của sucrose synthase (SuSy), kết quả là, dẫn đến làm giảm hàm lượng sucrose trong TRs. Hơn nữa, sự tổng hợp tinh bột  đã bị ức chế chủ yếu bởi ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase), granular starch synthase (GBSS) và hoạt tính của men starch branching enzyme (SBE) trong củ khoai lang khi có stress khô hạn xảy ra, men AGPase là enzyme có tính chất “rate-limiting”  (giới hạn mức độ). Khô hạn trong đất còn gây ra điều tiết phiên mã theo kiểu “up” các gen IbSWEET11, IbSWEET605, và IbSUT4 trong giống khoai lang Jishu 26 TRs, trong khi, là kiểu “down” hoặc không có  khác biệt đáng kể trong giống khoai Xushu 32 và Ningzishu 1 TRs. Kết quả gợi ra rằng khả năng “sucrose-loading” của giống khoai Jishu 26 TRs mạnh mẽ hơn khả năng của giống khoai Xushu 32 và Ningzishu 1 TRs. Hơn nữa, các gen IbA-INV3, IbAGPS1, IbAGPS2, IbGBSSI và IbSBEII có vai trò quan trọng trong giống khoai lang khác nhau chống chịu khô hạn khi xử lý stress khô hạn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36769375/

Bộ nhớ stress và sự điều tiết của nó trong thực vật đã trải nghiệm qua khô hạn

Nguồn: Carolyn Mukiri Kambona, Patrice Ahossi Koua, Jens Léon & Agim Ballvora. 2023.  Stress memory and its regulation in plants experiencing recurrent drought conditions. Theoretical and Applied Genetics Feb. 2023; vol. 136, Article number: 3. Published: 15 February 2023

Phát triển cây trồng chống chịu được khô hạn đang là mục đích chính của các nhà chọn giống do cải tiến được năng suất và duy trì sự ổn định. Phản ứng của cây với khô hạn đã và đang dược người ta nghiên cứu trong nhiều loài thực vật khác nhau, nhưng sự xuất hiện của sự kiện “stress memory” (bộ nhớ về stress) cũng như những cơ chế đầy tiềm năng phục vụ cho phản ứng điều tiết bộ nhớ này vẫn chưa được mô tả đầy đủ. Người ta quan sát thấy có hiện tượng giữ lại sự kiện trải nghiệm trong quá khứ theo cách mà nó hiệu đính lại phản ứng của cây với những thách thức mới mà không làm thay đổi nền tảng di truyền (genetic constitution). Khả năng này có thể huấn luyện cây đối diện với thách thức của tương lai với tần suất và cường độ tăng lên. Hiểu biết tốt hơn cơ chế gắn liền với bộ nhớ này sẽ dẫn đến sự thay đổi biểu hiện gen đích và làm thế nào chúng  gắn kết với những thay đổi về sinh lý, sinh hóa, biến dưỡng, hình thái; tất cả sẽ bắt đầu cho một cơ hội rất đa dạng để cải tiến giống cây trồng chống chịu được stress thông qua chiến lược “molecular breeding” hay tiếp cận với công nghệ sinh học. Theo viễn cảnh như vậy, bài tổng quan này thảo luận nhiều kiểu hình nhớ stress và đưa ra một tầm nhìn trong sử dụng các ví dụ thảo luận. Nhìn xa hơn, tập trung vào stress khô hạn, người ta đã chứng minh được những thay đổi có tính chất kết hợp về di truyền biểu sinh và những cơ chế kiểm soát sự biểu hiện gen ở mức độ phân tử, các phản ứng ghi nhớ liên quan đến phiên mã ở mức độ genome và tích hợp được phản ứng sinh lý với sinh hóa ở mức độ tế bào theo sau là xử lý stress khô hạn một cách liên tục. Thật vậy, những thay đổi có tính chất tích hợp của di truyền biểu sinh và thay đổi phân tử của những hệ thống gen chuyên biệt gắn kết với phản ứng sinh lý, sinh hóa đều làm cho dễ dàng hơn khả năng thích nghi với khí hậu và giúp cây sống sót trong khi stress cứ lập đi lập lại.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04313-1

Phân tích trình tự hệ gen cây Nicotiana benthamiana, cây mô hình về những tương tác giữa các sinh vật với nhau

Nguồn: Ken-ichi Kurotani, Hideki Hirakawa, Kenta Shirasawa, Yasuhiro Tanizawa, Yasukazu Nakamura, Sachiko Isobe, Michitaka Notaguchi. 2023. Genome Sequence and Analysis of Nicotiana benthamiana, the Model Plant for Interactions between Organisms. Plant and Cell Physiology, pcac168, https://doi.org/10.1093/pcp/pcac168.

Published: 09 February 2023.

Nicotiana benthamiana được người ta sự dụng khá phổ biến làm cây mô hình (model plant) đối với thực vật hai lá mầm. Thật vây, những chủng nòi (strains) được dùng trong nghiên cứu rất dễ nhiễm với hàng loạt siêu vi (viruses). Theo đó, những strains như vậy là chủ thể trong bệnh cây học và tương tac giữa cây và vi sinh vật. Theo tương tác giữa cây với cây, thuốc lá N. benthamiana là một trong những loài cây có khả năng ghép với nhau dễ dàng (grafting affinity) với cây thuộc họ thực vật khác nhau. Do đó, N. benthamiana là cây mô hình tốt trong sinh thực vật là được làm chủ thể trong phân tích trình tự genome nhiều năm qua. Tuy nhiên, N. benthamiana có một hệ gen đa bội lệc rất phức tạp (allopolyploid genome),hệ gen tham chiếu của nó trước đây được phân đoạn thành 141.000 scaffolds (khung mang gen). Theo đó, phân tích di truyền phân tử khó có thể được hoàn thiện. Để cải tiến những cố gắng này, người ta tiến hành phương pháp “de novo whole-genome assembly” hoàn chỉnh trong hệ gen cây N. benthamiana với kỹ thuật “Hifi reads”, và tạo ra được 1.668 contigs có độ dài tổng cộng là 3,1 Gb. Có 21 khung mang gen dài nhất, tính cả “pseudomolecules”, chiếm 2,8-Gb trình tự DNA, chiếm 95.6% genome tổng thể. Có tất cả 57.583 trình tự gen có độ tin cậy cao được dự đoán trong thuật toán. Trên cơ sở so sánh cấu trúc genome hai loài thuốc lá N. benthamiana và N. tabacum, người ta thấy N. benthamiana có nhiều hơn những tái sắp xếp trên nhiễm sắc thể vô cùng phức tạp, phản ánh tuổi đời của kết quả lai giữa các loài (interspecific hybridization). Muốn làm rõ hơn mức độ chính xác của diễn dịch di truyền (annotations), các gen cải biên thành tế bào như vậy khi ghép (grafting) đã được phân tích, kết quả phân tích không chỉ làm rõ vùng chưa được diễn dịch  trước đây, xác định các trinh tự của intron và ORF (open reading frame: khung đọc mã), mà còn xác định được các vị trí trong genome của những gen có cùng họ gen. Làm chủ được hệ gen tổng quát và phần mềm giải thích di truyền của trình tự DNA, người ta ngày càng tiếp cận tốt hơn hệ gen cây mô hình N. benthamiana.

Xem https://academic.oup.com/pcp/advance-article/doi/10.1093/pcp/pcac168/7031347?login=false
 

Gen Bph14 của giống lúa Rathu Heenati điều khiển tính kháng rầy nâu thông qua kỹ thuật QTL-seq

Nguồn: Sarinthip Pannak, Samart Wanchana, Wanchana Aesomnuk, Mutiara K. Pitaloka, Watchareewan Jamboonsri, Meechai Siangliw, Blake C. Meyers, Theerayut Toojinda & Siwaret Arikit. 2023.  Functional Bph14 from Rathu Heenati promotes resistance to BPH at the early seedling stage of rice (Oryza sativa L.) as revealed by QTL-seq. Theoretical and Applied Genetics February 2023; vol. 136, Article number: 2 (Published: 13 February 2023)

Hình: Vị trí các gen kháng rầy nâu trên các nhiễm sắc thể cây lúa (Hu et al. 2016).

Một QTL gắn liền với tính kháng rầy nâu (BPH) ở giai đoạn mạ được người ta phân lập trên nhiễm sắc thể 3. Gen chức năng Bph14 của giống lúa Rathu Heenati gắn liền với tính kháng BPH ở giai đoạn mạ được công bố.

Rấy nâu (Nilaparvata lugens Stål) là sâu hại quan trọng bậc nhất ở nhiều quốc gia trồng lúa châu Á. Nhiều gen kháng BPH đã và đang được xác định từ trước cho đến nay. Tuy nhiên, có rất ít báo cáo ghi nhận gen chuyên tính đối với tính kháng BPH ở giai đoạn đầu của cây mạ, giai đoạn cực trọng trong kỹ thuật canh tác lúa sạ thẳng. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta tiến hành phân tích QTL-seq với hai quần thể trồng dồn (20 dòng F₂ trong mỗi bulk) của quần thể F₂  bao gồm 300 cá thể dẫn xuất từ tổ hợp lai Rathu Heenati (RH) × HCS-1 nhằm xác định QTL/gen đích gắn liền với tính kháng BPH ở giai đoạn mạ non. Một QTL quan trọng được xác định trên nhiễm sắc thể 3 và gen đích Bph14 được phân lập như gen ứng cử viên đầy tiềm năng trên cơ sở biệu gen khác nhau và biến dị của trình tự DNA khi so sánh với với bố mẹ. Tất cả cây lúa kháng dược trồng dồn (resistant bulks) đều có gen chức năng Bph14 từ nguồn giống RH và tất cả cây lúa trong “susceptible bulk”, giống lúa HCS-1 đều có một mất đoạn khá lớn (2703 bp) tại gen đích Bph14. Gen chức năng Bph14 của giống lúa RH rất quan trọng quyết định tính kháng rầy nâu ở giai đoạn mạ non; nó có thể được sử dụng nối kết với các gen kháng BPH khác trong chương trình cải tiến giống lúa cao sản kháng rầy ở giai đoạn mạ và giai đoạn lúa về sau.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04318-w