Tuần tin khoa học 828 (27/02-05/03/2023)

Chỉnh sửa gen BADH2 kích hoạt sự tiến hóa mùi thơm hạt gạo bằng hệ thống CRISPR-Cas9

Nguồn: Muhammad Imran, Sarfraz Shafiq, Xiangru Tang. 2023. CRISPR-Cas9-mediated editing of BADH2 triggered fragrance revolution in rice. Physiologia Plantarum; First published: 07 February 2023; https://doi.org/10.1111/ppl.13871

Mùi thơm là một trong những tính trạng quan trọng của phẩm chất lúa gạo trong cải tiến giống. Cơ chất quyết định mùi thơm trong tự nhiên là 2-acetyl-1-pyrroline (2-AP) đóng vai trò thành phần căn bản của hơn 200 vật chất bay hơi quy định mùi thơm hạt gạo. Bên cạnh đó, còn nhiều loài thực vật khác có ngân hàng gen tập họp tính trạng “fragrant aroma”. Những loài thực vật khác ấy thường biểu hiện hoạt tính thấp hơn của hệ men BETAINE ALDEHYDE DEHYDROGENASE 2 (BADH2). Do đó, hiệu quả cải tiến mùi thơm thường tập trung vào nghiên cứu sâu. Những nghiên cứu gần đây được thao tác kỹ thuật di truyền vào gen BADH2, mà gen này có chức năng điều khiển tính trạng mùi thơm trong giống lúa không thơm, thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9. Cho dù kết quả kỹ thuật di truyền gen BADH2 có thể hữu ích đối với điều tiết kiểu “up” trong biểu hiện 2-AP, nhưng vẫn có một hạn chế là làm thế nào ứng dụng trong thực tiễn. Bài tổng quan này được các tác giả thảo luận về những phát triển gần đây trong chỉnh sửa gen BADH2 và đề nghị chiến lược tiềm năng trong tương lai với gen đích BADH2 trong điều tiết phiên mã, nhằm mục tiêu sản sinh ra giống lúa có mùi thơm tốt hơn.

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/ppl.13871

Hình: Sơ đồ chỉ ra vị trí của những primers gắn với gen đích Badh2 và vị trí mất đoạn 8-bp được cải biên từ công trình nghiên cứu của Bradbury et al. (2005).

Nghiên cứu “haplotype-resolved DNA methylome” hệ gen giống sắn châu Phi

Nguồn: Zhenhui Zhong, Suhua Feng, Ben N Mansfeld, Yunqing Ke, Weihong Qi, Yi-Wen Lim, Wilhelm Gruissem, Rebecca S Bart, Steven E Jacobsen. 2023. Haplotype-resolved DNA methylome of African cassava genome. Plant Biotechnol J.; 2023 Feb; 21(2):247-249. doi: 10.1111/pbi.13955.

“Cytosine DNA methylation” có trong sự kiện im lặng nguyên tố chuyển vị (TE:  transposable element), sự kiện imprinting (hòa đồng) và sự kiện bất hoạt nhiễm sắc thể X. Hiện tượng methyl hóa phân tử DNA diễn ra qua trung gian MET1 (mammalian DNMT1), DRM2 (mammalian DNMT3) và hai men chuyên tính thực vật DNA methyltransferases, CMT2 và CMT3. Muốn phân tích hệ DNA methylome bằng phương pháp haplotype trong cây sắn, tác giả tiến hành nghiên cứu methylome trong hai mẫu giống “haplotype genome” của cây sắn (mẫu giống TME7 và mẫu giống TME204) rồi sử dụng WGBS (whole‐genome bisulfite sequencing) và kỹ thuật EM-seq (enzymatic methyl‐seq), theo thứ tự. Số lượng “sequencing reads” được người ta lập bản đồ đối với từng haplotype khác nhau một cách độc lập, không có bắt cặp nhầm (zero mismatches) và một “best hit”, mà best hit này cho phép phân biệt các số lần reads theo những haplotypes khác nhau. Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng dù cả hai phương pháp WGBS và EM‐seq được sử dụng, nhưng hai haplotypes này đều giống nhau về mức độ “whole‐genome methylation” trong mẫu giống TME7 và mẫu giống TME204. Người ta xem xét sâu hơn mức độ methyl hóa trên các vùng phiên mã của những gen mã hóa protein và những TEs, người ta tiếp tục quan sát mức độ methyl hóa tương đồng giữa những haplotypes khác nhau ấy. Sau đó, người ta phân tích các cytosines bị methyl hóa khác biệt nhau giữa các haplotypes (haplotypic DMCs). Đầu tiên người ta so sánh hai haplotypes và phân lập những cytosines có tính chất “syntenic”. Quan sát ít nhất 3 kịch bản mà những kịch bản ấy phản ánh methyl hóa khác biệt một cách chuyên tính (differential methylations) giữa những haplotypes: (i) SNP/InDel trong một “haplotype” dẫn đến mất đi cytosine (47.17%), trong số chỉ thị ấy mất hơn 99.25% là những “SNP variants”; (ii) Cytosine context alterations (e.g. CG trong hap1 và CHH trong hap2) dẫn đến kết quả thay đổi methyl hóa được tìm thấy trong kết quả phân tích này (28.98%); và (iii) Cytosines stay in the same contexts giữa những haplotypes nhưng biểu hiện mức độ methyl hóa hết sức khác biệt nhau (23.85%).  Cuối cùng, người ta nghiên cứu đa dạng di truyền của những vị trí DMC và trình tự vùng kế cận 400‐bp; người ta thấy rằng có sự đa dạng nucleotide ở các vị trí DMC cao hớn có ý nghĩa so với trình tự vùng kế cận. Đa dạng nucleotide cao hơn cuả những DMCs chứng minh rằng các vị trí DMC xuất hiện trong chọn lọc tự nhiên phổ biến hơn. Kết quả cho thấy “crosstalk” (mối liên quan mật thiết) giữa biến dị trình tự DNA và đột biến gây methyl hóa DNA. Tổng hợp lại, kết quả phân tích này so sánh được phương pháp “haplotype‐resolved DNA methylomes” của cây sắn và đặt sự kiện dị hợp (genomic heterozygosity) trong bối cảnh điều tiết di truyền biểu sinh ở mức độ haplotypic.

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9884013/

Định tính một “polysaccharide monooxygenase” độc nhất của Magnaporthe oryzae

Nguồn: Alejandra Martinez-D’Alto, Xia Yan, Tyler C. Detomasi,  Richard I. Sayler, William C. Thomas, Nicholas J. Talbot, and Michael A. Marletta. 2023. Characterization of a unique polysaccharide monooxygenase from the plant pathogen Magnaporthe oryzae. PNAS; February 15, 2023; 120 (8) e2215426120

Hình: Thiết kế vec tơ pSUMO-MoPMO9A (T1, T2, và FL). Đánh dấu đầu N được thay bởi Ulp1 để phát sinh ra MoPMO9A đầu N là histidine. Chiều dài amino acid của mỗi thiết kế được ghi rõ bằng số. MoPMO9A có những domains màu xám. 1: PMO catalytic domain (AAs 1 đến 210); 2: DUF (AAs 243 đến 322); 3: chitin-binding domain (AAs 484 đến 537).

Bệnh đạo ôn lúa trải rộng trên toàn thế giới. Nấm bệnh xâm nhập cào cây lúa, nấm Magnaporthe oryzae tiết ra men polysaccharide monooxygenase (MoPMO9A). Ở đây, tác giả chứng minh rằng MoPMO9A rất tích cực đối với hiện diện của (1→3, 1→4)-β-glucans ở thành tế bào, thủy phân vị trí C4 của cầu nối glycosidic và sử dụng oxygen hoặc hydrogen peroxide làm “cosubstrate”. Men PMO này có một domain thứ cấp chưa rõ chức năng; nó được bảo tồn rất cao trong subset của hệ men PMOs và rất cần thiết cho hoạt động của PMO. Thêm vào đó, sự mất đọn trong phân tử MoPMO9A dẫn đến kết quả làm giảm sự phát sinh bệnh trong cây lúa. Tóm lại, công trình này cung cấp cho chúng ta luận điểm mới về sinh hóa của MoPMO9A và kiến trúc domain của PMOs, hỗ trợ nhiệm vụ phân giải polysaccharide trong giai đoạn nấm xâm nhiễm vào cây lúa.

Bệnh đạo ôn lúa do nấm Magnaporthe oryzae gây ra, làm thiệt hại rất lớn đến sản lượng lúa trên nhiều vùng trồng. Khi xâm nhiễm, sự biểu hiện của polysaccharide monooxygenase (MoPMO9A) giả định tăng lên đáng kể. MoPMO9A bao gồm một domain có tính chất xúc tác hoạt động trên cellulose và một domain “carbohydrate-binding” kết gắn với chitin. Một hệ thống tập họp tr2nh tự tương đồng của MoPMO9A họ AA9 cho thấy rằng 220 trình tự của 223 số trình tự trong MoPMO9A bao gồm những trình tự có tính chất là đọan phân tử bảo thủ nhất, vùng này chưa ược  giải thích di truyền (unannotated region) chưa xác định chức năng. Biểu hiện gen và độ thuần  khiết chiều dài tổng cộng của phân tử được thức hiện trên hai phân tử cụt MoPMO9A (truncations), một bao gồm domain có tính chất xúc tác (catalytic domain) và một domain không rõ chức năng (DUF), một chỉ có domain xúc tác mà thôi. Trái với AA9 polysaccharide monooxygenases (PMOs), phân tử MoPMO9A không hoạt động trên cellulose nhưng thể hiện hoạt tính trên (1→3, 1→4)-β-D-glucans (MBG) trộn giữa các loài mễ cốc. Bên cạnh đó, domain không rõ chức năng DUF được yêu cầu hoạt động. MoPMO9A biểu hiện hoạt tính với “C4 oxidation” của đại phân tử polysaccharide và có thể sử dụng oxygen hoặc hydrogen peroxide như một “cosubstrate” (đồng cơ chất). Người ta định tính được “3-dimensional fold” (gấp cuộn 3 chiều) của những PMOs khác. Phân tử DUF này được dự đoán là hình thành nên cấu trúc xoắn cuộn “coiled-coil” với 6 cysteines được bảo thủ tuyệt đối hoạt động như một “zipper” giữa hai “α-helices”.  Cơ chất MoPMO9A có tính chuyên biệt và kiến trúc domain khác với AA9 PMOs. Kết quả bao gồm phân tích “gene ontology”, hỗ trợ vai trò MoPMO9A trong dự phân giải MBG khi nấm xâm nhiễm vào cây lúa. Sự mất đoạn của MoPMO9A dẫn đến kết quả phát sinh bệnh cũng giảm.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215426120

QTLs điều khiển tính trạng hạt cà chua

Nguồn: Mark G. Sterken, Harm Nijveen, Martijn van Zanten, Jose M. Jiménez-Gómez, Nafiseh Geshnizjani, Leo A. J. Willems, Juriaan Rienstra, Henk W. M. Hilhorst, Wilco Ligterink & Basten L. Snoek. 2023.  Plasticity of maternal environment-dependent expression-QTLs of tomato seeds. Theoretical and Applied Genetics volume 136, Article number: 5 (2023); Published: 22 February 2023.

Hạt rất cần đề làm giống cho vụ sau, duy trì thông tin di truyền. Khả năng nẩy mầm của hạt và sự phát triển cây non khỏe mạnh tùy thuộc vào phẩm chất hạt cộng với yếu tố môi trường ví dụ như dinh dưỡng. Cà chua (Solanum lycopersicum) và nhiều loài cây khác được người ta quan tâm nhiều đến phẩm chất hạt và đặc điểm của phát triển cây non, bởi biến dị di truyền cũng như môi trường dinh dưỡng của cây mẹ ở đó, hạt giống được phát triển và chín sinh lý. Đóng góp của di truyền biến thiên khác lớn đối với phẩm chất hạt và phẩm chất cây non gắn với đáp ứng của môi trường. Tất cả có thể được dự đoán ở mức độ transcriptome của hạt khô thông qua các loci được lập bản đồ trên genome mà những loci ấy ảnh hưởng đền biểu hiện gen (biểu hiện QTLs) phản ánh môi trường cây mẹ sinh sống. Theo kết quả nghiên cứu, người ta áp dụng kỹ thuật “RNA-sequencing” để thiết kế một bản đồ di truyền kiểu “linkage map”, xác định biểu hiện gen của hạt thuộc quần thể con lai cận giao tái tổ hợp (RIL: recombinant inbred line) dẫn xuất từ tổ hợp lai giữa S. lycopersicum (cv. Moneymaker) x S. pimpinellifolium (G1.1554). Hạt chín cây trong những nghiệm thức khác nhau về dinh dưỡng, i.e., nghiệm thức lân cao hoặc nghiệm thức đạm thấp. Chỉ thị phân tử SNPs (single-nucleotide polymorphisms) được sử dụng phục vụ bản đồ di truyền này. Nền tảng di truyền mang tính chất thích ứng (genetic landscape of plasticity) trong nội dung điều tiết biểu hiện gen (gene regulation) tính trạng hạt khô, bị ảnh hưởng bởi mội trường dinh dưỡng cây mẹ (maternal nutrient environment). Thông tin tổng hợp lại về biến dị di truyền đáp ứng với môi trường có thể góp phần giúp chúng ta hiểu rõ hơn trong chương trình cải tiến giống thích ứng với điều kiện ngoại cảnh.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04322-0