Tuần tin khoa học 830 (13-19/03/2023)

Tổng quan: phân tử miRNA và lncRNA của hệ gen cây cà chua

Nguồn: Qian Li, Heng Shen, Shoujuan Yuan, Xigang Dai, Changxian Yang. 2023. Review: miRNAs and lncRNAs in tomato: Roles in biotic and abiotic stress responses. Front Plant Science; 2023 Jan 11; 13:1094459. doi: 10.3389/fpls.2022.1094459.

Thực vật thường bị phơi nhiễm liên tục trong stress sinh học và phi sinh học bởi ngoại cảnh. Để ứng phó với các stress như vậy, thực vật đã và đang tiến hóa với muôn hình muôn vẻ cơ chế tự vệ của chúng. Với sự phát triển nhanh chóng công nghệ đọc trình tự DNA hệ gen cây trồng, một số lượng lớn các phân tử ncRNA (non-coding RNA) đã được phân lập trong cây cà chua, ví dụ như phân tử microRNAs (miRNAs) và phân tử long non-coding RNAs (lncRNAs). Gần đây, càng có nhiều hơn các chứng cứ chỉ ra rằng rất nhiều phân tử ncRNAs có trong phản ứng của thực vật đối với stress sinh học, phi sinh học của cà chua. Trong bài tổng quan này, người ta tóm tắt những thông tin cập nhật về vai trò điều tiết của phân tử ncRNAs trong cây cà chua phản ứng với stress nói trên, bao gồm phản ứng với nhiệt độ nóng, khô hạn, lạnh, mặn, etc.) và phản ứng với vi khuẩn, nấm, siêu vi, côn trùng, etc.. Hiểu biết các cơ chế phân tử về ncRNAs trong phản ứng với các stress nói trên sẽ giúp chúng ta làm rõ hướng nghiên cứu tương lai đối với phân tử ncRNA và cải tiến giống cà chua cao sản kháng với stress.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714724/

Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử để quy tụ gen kháng bệnh rỉ sắt và bệnh trên hạt cà phê Coffea arabica L.

Nguồn: Laura Maritza Saavedra, Eveline Teixeira Caixeta, Geleta Dugassa Barka, Aluízio Borém, Laércio Zambolim, Moysés Nascimento, Cosme Damião Cruz, Antonio Carlos Baião de Oliveira, Antonio Alves Pereira. 2023. Marker-Assisted Recurrent Selection for Pyramiding Leaf Rust and Coffee Berry Disease Resistance Alleles in Coffea arabica L. Genes (Basel); 2023 Jan 10; 14(1):189. doi: 10.3390/genes14010189.

Theo nghiên cứu này, phương pháp “marker-assisted recurrent selection” được đánh giá để quy tụ gen kháng (gene pyramiding) và những alen có chức năng kháng bệnh CLR (coffee leaf rust) và bệnh CBD (coffee berry diseases) của hệ gen cây cà phê arabica (Coffea arabica). Tổng số mẫu giống được xem xét là 144 genotypes tương ứng với 12 quần thể lai (hybrid populations) từ cặp lai giữa 8 bố mẹ có tính trạng hình thái và tính trạng nông học mong muốn. Dữ liệu phân tử được sử dụng phục vụ cho cross-certification, nghiên cứu đa dạng và chọn alen nhờ chỉ thị phân tử (MAS) kháng với tác nhân gây bệnh rỉ sắt cà phê (Hemileia vastatrix) và bệnh hạt cà phê (Colletotrichum kahawae). Thêm vào đó, 9 tính trạng hình thái và nông học được người ta đánh giá các thành phần phương sai (variance), tuyển chọn được những “superior hybrids” (con lai ưu việt), và dự đoán được giá trị hiệu quả chọn lọc GA (genetic gain). Từ kết quả đánh giá vật liệu giống, có 134 dòng được xác định là hybrids. Đa dạng di truyền giữa quần thể và trong quần thể con lai là 75.5% và 24.5%, theo thứ tự. Kết quả phân tích cluster di truyền cho thấy chúng có tất cả 3 nhóm chính. Quy tụ gen kháng CLR và CBD được tiến hành với 11 dòng, sử dụng MAS. Cường độ chọn lọc 30% cho kết quả giá trị GA đạt trên 50% so với quần thể nguyên thủy. Các dòng con lai được tuyển chọn với giá trị GA tăng cũng biểu hiện giá trị đa dạng di truyền lớn hơn khi chồng các alen kháng vào cá thể. Do đó, chiến lược này được áp dụng rất có hiệu quả để chọn được các dòng con lai hybrids rất ưu việt phục vụ chương trình cải tiến giống tái tục (recurrent selection), có thể được dùng làm nguồn vật liệu kháng trong nhiều tổ hợp lai khác nhau.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36672930/

Tổng hợp kết quả GWAS và transcriptomics để xác định gen ứng cử viên điều khiển tính chịu nóng của cây lúa

Nguồn: Pingping Li, Jing Jiang, Guogen Zhang, Siyu Miao, Jingbing Lu, Yukang Qian, Xiuqin Zhao, Wensheng Wang, Xianjin Qiu, Fan Zhang, Jianlong Xu. 2023. Integrating GWAS and transcriptomics to identify candidate genes conferring heat tolerance in rice. Front Plant Sci.; 2023 Jan 9; 13:1102938. doi: 10.3389/fpls.2022.1102938. 

Sản xuất lúa (Oryza sativa L.) đang chịu nhiều thách thức bởi biến đổi khi hậu toàn cầu. Xác định những loci mới và những alen đích gắn liền với tính chống chịu nóng là yếu cầu bức thiết nhằm phát triển giống lúa cao sản chịu nóng.

Người ta tiến hành đánh giá ở giai đoạn mạ  620 mẫu giống lúa rất đa dạng. Có sáu loci gắn với tính trạng chịu nóng được phân lập bởi GWAS (genome-wide association study) với ~2,8 triệu chỉ thị phân tử SNPs (single nucleotide polymorphisms).

Trong 6 loci được tìm thấy ấy, qHT7 có dấu hiệu liên kết mạnh nhất với hầu hết các SNPs. Thông qua kỹ thuật so sánh hệ thống transcriptomes của hai mẫu giống lúa điển hình với tính trạng chống chịu nóng tương phản nhau, LOC_Os07g48710 (OsVQ30) được người ta tuyển chọn như một gen ứng cử viên đầy tiềm năng trong quãng chứa qHT7 bởi vì có khác biệt đáng kể về mức độ biểu hiện gen giữa hai mẫu giống lúa nói trên. Haplotype 4 (Hap4) của gen LOC_Os07g48710 được xác định là haplotype tốt đối với tính trạng chống chịu nóng thông qua  phân tích “gene-based haplotype”. Haplotype chống chịu mặn LOC_Os07g48710Hap4 có rất nhiều trong mẫu giống lúa nhiệt đới Geng/Japonica, tần suất hiện diện đã suy giảm đáng kể trong tiến trình cải tiến các giống lúa cao sản.

Trên cơ sở kết quả tích hợp GWAS và transcriptomics, người ta lập ra model giả định bởi qHT7 khi phản ứng với nhiệt độ nóng. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp cho chúng ta những gen ứng cử viên rất đáng giá để cải tiến giống lúa chống chịu nóng thông qua chiến lược “molecular breeding”.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36699845/

Kết hợp pangenomics và transcriptomics để xem xét tiến trình gây độc của pathogen

Nguồn: Hongxin Chen, Robert King, Dan Smith, Carlos Bayon, Tom Ashfield, Stefano Torriani, Kostya Kanyuka, Kim Hammond-Kosack, Stephane Bieri & Jason Rudd. 2023. Combined pangenomics and transcriptomics reveals core and redundant virulence processes in a rapidly evolving fungal plant pathogen. BMC Biology volume 21, Article number: 24 (2023). Published: 6 February 2023.

Nghiên cứu biến thiên di truyền của hệ gen, trong khi pathogen tiến hóa rất nhanh, mở ra kỹ thuật xác định các gen đích hỗ trợ cho cái gọi là “core biology” của pathogen, kết quả hiện hữu, biểu thị chức năng rõ ràng và được hiện ra bởi tất cả chủng nòi (all strains) hoặc cái gọi là “flexible biology”, biến thiên muôn hình muôn vẻ giữa những strains như vậy. Các gen đóng góp vào sinh học thích ứng (flexible biology) có thể được xem xét là “accessory”, trong khi đó “core gene set” (bộ gen gốc) dường như quan trọng cho những đặc điểm chung trong sinh học của một loài pathogen nào đó, bao gồm độc tính (virulence) đối với tất cả giống cây chủ (host genotypes). Pathogen gây bệnh lúa mì là nấm Zymoseptoria tritici đặc trưng cho một trong những mối hiểm họa có tốc độ tiến hóa nhanh nhất về an ninh lương thực toàn cầu. Nấm ký sinh này là đối tượng được tập trung nghiên cứu.

Người ta thiết kết một pangenome của 18 mẫu phân lập (isolate) trên đồng ruộng châu Âu, với 12 được theo dõi phổ biểu hiện RNAseq transcription trong quá trình nấm xâm nhiễm vào lúa mì. Kết hợp tất cả dữ liệu này, người ta dự đoán được “core gene set” bao gồm 9807 chuỗi trình tự mà chúng (1) hiện hữu trong tất cả isolates, (2) thiếu đa hình khi bất hoạt, và (3) biểu hiện bởi tất cả isolates. Một hệ gen lớn có thuật ngữ là “accessory genome”, có 45% tất cả các gen ấy, cũng bị từ chối. Người ta phân loại là kiểu đa hình “genetic” và đa hình “genomic” ở cá mức độ nhiễm sắc thể và mức độ gen cá biệt. Proteins cần có chức năng đặc biệt bao gồm độc tính của nấm  có trình tự trung bình thấp hơn trong các “core genes”. Cả hệ gen “core” và hệ gen “accessory” đều mã hóa được những proteins đóng vai trò “effectors” rất nhỏ và bí ẩn; chúng hình như có liên quan đến sự miễn dịch của cây lúa mì. Phân tử transien mà vector là virus trong biểu hiện mạnh mẽ gen của thực vật gồm 88 ứng cử viên (candidates) đã không phân lập được mà điều ấy đã kích hoạt  hiện tượng “leaf necrosis” (hoại sinh lá). Tuy vậy, thông tin bổ sung về chức năng của một đột biến mất đoạn “non-pathogenic” thiếu mất 5 “core genes” chứng minh rằng: độc tính đầy đủ đã được phục hồi lại nhờ “re-introduction” (tái du nhập) gen đơn biểu hiện biểu hiện đa hình ít nhất và biểu hiện cao nhất.

Kết quả này cho thấy kết hợp pangenomics và transcriptomics để xác định các gen mục tiêu đặc trưng bản chất “core gene”, và có khả năng khai thác rất tốt, làm yếu đi sự tiến hóa rất nhanh của pathogens.

Xem https://bmcbiol.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12915-023-01520-6

Hình 2: Tóm tắt các giai đoạn của “core gene” và “accessory gene”  và số pangenome  mới được thiết lập tại châu Âu đối với nấm Z. tritici. Con số này đặc trưng cho số gen được phân lập tại mỗi giai đoạn theo tiến trình (Chen et al. 2023).