Tuần tin khoa học 833 (03-09/04/2023)

Triển vọng lúa gạo năm 2050

Nguồn; Jianxin Shi, Gynheung An, Andreas P M Weber, Dabing Zhang. 2023. Prospects for rice in 2050. Plant Cell Environ.; 2023 Apr; 46(4):1037-1045. doi: 10.1111/pce.14565.

Nội dung then chốt để đạt được mục tiêu thiên niên kỷ của Liên Hiệp Quốc theo lộ trình đến năm 2030 đối với phát triển bền vững, người ta sẽ cần phải thay đổi kinh nghiệm đối với các hệ thống “agrifood” (lương thực nông nghiệp). Chúng ta phải gắn kết với thách thức mang tính chất toàn cầu để có được an ninh lương thực trên cơ sở bền vững theo ngữ cảnh biến đổi khí hậu, gia tăng dân số, đô thị hóa, và cạn kiệt dần tài nguyên thiên nhiên. Lúa gạo là một loài mễ cốc chính đang có đóng góp rất đáng kể, lúa gạo vẫn sẽ đóng góp vào mục tiêu an ninh lương thực như vậy. Cho đến nay, năng suất lúa đã và đang theo kịp nhu cầu gia tăng của xã hội, do những thành tự từ nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu sinh học, cũng như thành tựu ứng dụng thực tiễn của chọn giống phân tử và mang tính chất hệ gen (genomic and molecular breeding). Tuy nhiên, sản lượng thóc trong tương lai tùy thuộc rất lớn vào việc canh tác các giống lúa chống chịu điều kiện bất lợi thích nghi với biến đổi khí hậu. Số bài viết đặc biệt này phác họa nét tổng quan và những báo cáo khoa học nguồn gốc chính xác và dựa trên tương tác giữa cây lúa và môi trường đồng ruộng mà chúng có thể mang lại nguồn lợi cho chọn giống lúa tương lai. Người ta còn phác họa những câu hỏi mở và đề nghị các hướng đi tương lai trong nghiên cứu lúa gạo năm 2050, kêu gọi sự chú ý nhiều hơn để phát triển giống lúa chống chịu với môi trường bất thuận đặc biệt là lúa lai, lúa rẩy và lúa đa niên.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36805595/

Nguồn cấu trúc protein bắp trong cơ sở dữ liệu hệ gen và di truyền cây bắp

Nguồn: Margaret R Woodhouse  , John L Portwood, Shatabdi Sen, Rita K Hayford, Jack M Gardiner , Ethalinda K Cannon, Lisa C Harper , Carson M Andorf. 2023. Maize Protein Structure Resources at the Maize Genetics and Genomics Database. Genetics; 2023 Feb 9; iyad016. doi: 10.1093/genetics/iyad016.

Cấu trúc phân tử protein đóng vai trò quan trọng trong tin sinh học, ví dụ như dự đoán chức năng gen hoặc minh chứng việc chú thi1vch di truyền mô hình gen. Tuy nhiên, xác định cấu trúc protein cho đến nay vẫn còn rất đắt tiền và tốn nhiều thời gian, mà kết quả vẫn còn đang kẹt như nút thắt cổ chai về cấu trúc ấy. Với sự phát triển của AlphaFold và ESMFold, nút thắt cổ chai này đã và đang được giảm dần bởi thứ tự độ lớn, cho phép chúng ta so sánh được cấu trúc protein của toàn hệ gen (entire genomes) trong khung thời gian hợp lý. Cơ sở dữ liệu có tên là  MaizeGDB đã tận dụng được thính đột phá của kỹ thuật này bởi nhận về nhiều công cụ để thúc đẩy nhanh hơn kết quả so sánh protein giữa cây bắp và cây trồng khác cũng như genome người và nấm men (yeast). MaizeGDB còn nhận được kết quả tải hàng loạt dữ liệu cấu trúc protein khác, bên cạnh thông tin dự đoán “annotation” (giải thích chi tiết di truyền). Theo đó, MaizeGDB sẵn sàng hỗ trợ các nhà nghiên cứu bắp đánh giá sự tương đồng về chức năng, chất lượng annotation sự mô phỏng gen, và thông tin khác không thể có đối với nhà khoa học bắp cách đây ít năm thôi.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36755109/

Hình:  Biểu đồ hình cột biểu thị trong website (hàng tháng) tại cơ sở dữ liệu MaizeGDB. Trục x-là năm.

Phân tử ức chế R3-MYB đối với gen Mybr97, ứng cử viên của locus Anthocyanin3 của bắp

Nguồn: Michael N. Paulsmeyer & John A. Juvik. 2023. R3-MYB repressor Mybr97 is a candidate gene associated with the Anthocyanin3 locus and enhanced anthocyanin accumulation in maize. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 55 (2023)

Published: 13 March 2023

Anthocyanin3 ức chế chu trình anthocyanin và monolignol trong cây bắp. Kỹ thuật transposon-tagging, RNA-sequencing, và xét nghiệm GST-pulldown xác định được anthocyanin3 có thể là phân tử ức chế R3-MYB đối với gen Mybr97.

Anthocyanins là phân tử có màu sắc thu hút được sự chú ý nhiều năm gần đây do đặc điểm có lợi cho sức khỏe loài người và ứng dụng trong tạo chất colorants tự nhiên và chất nutraceuticals. Giống bắp tím đang được nghiên cứu nhiều nhất như một nguồn lợi kinh tế của anthocyanins. Gen anthocyanin3 (A3) là phân tử intensifier thể lặn của sắc tố anthocyanin trong cây bắp. Theo kết quả này, hàm lượng anthocyanin đã tăng lên gấp 100 lần trong cây có gen lặn a3. Hia phương pháp tiếp cận được sử dụng để khám phá ra gen ứng cử viên bao gồm đánh giá kiểu hình cây a3 intense purple. Thứ nhất, quân thể đánh dấu transposon quy mô rộng được tiến hành phát triển sự kết quả chèn đoạn Dissociation (Ds) ở gần gen Anthocyanin1. Người ta tạo ra de novo a3-m1::Ds mutant, và phân tử chèn đoạn transposon được tìm thấy định vị tại promoter của gen Mybr97, gen này biểu hiện đồng dạng với phân tử R3-MYB repressor CAPRICE trong cây mô hình Arabidopsis. Thứ hai, người ta tạo ra quần thể bulked segregant RNA-sequencing tìm thấy được những khác biệt của biểu hiện giữa quần thể của cây bắp green A3 và cây bắp purple a3. Tất cả gen tron sinh tổng hợp anthocyanin được định tính đề điều tiết theo kiểu “up”  trong cây bắp a3 bên cạnh nhiều gen liên quan đến chu trình monolignol.

Gen Mybr97 điều tiết theo kiểu “down” trong cây a3, kết quả cho thấy vai trò của nó là một regulator thụ động trong chu trình anthocyanin. Các gen biểu hiện có liên quan đến quang hợp bị giảm đi trong cây bắp a3 thông qua một cơ chế gì đó chưa biết rõ. Nhiều yếu tố phiên mã (TFs) và các gen có bản chất sinh tổng hợp cũng được điều tiết theo kiểu “up”, cần được nghiên cứu sâu hơn nữa. Gen Mybr97 có thể ức chế sinh tổng hợp anthocyanin bằng cách gắn kết với TFs có cấu trúc basic helix–loop helix như gen Booster1. Nhìn chung, gen Mybr97 hầu như chính là gen ứng cử viên của locus A3. A3 có ảnh hưởng khá sâu trong cây bắp và có nhiều ý nghĩa tốt phục vụ cho bảo vệ cây trồng, sức khỏe con người, cản xuất chất tạo màu thiên nhiên.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04275-4

Sự tiến hóa tinh vi của Trichoderma để kiểm soát sâu hại cây trồng

Nguồn: Enrique Monte. 2023. The sophisticated evolution of Trichoderma to control insect pests. PNAS March 13, 2023; 120 (12) e2301971120; https://doi.org/10.1073/pnas.2301971120

Hình: Ấu trùng của S. littoralis trên cây cà chua Solanum lycopersicum. Rối loạn đường ruột của sâu non khi ăn lá cây đã được xử lý Trichoderma.

Trichoderma (Ascomycota, teleomorph: Hypocrea) bao gồm các loài có tính chất đa năng, nấm có lợi cho cây trồng có tầm trọng lớn cho nông nghiệp như một biện pháp đấu tranh sinh học BCA (biological control agent). Tuy nhiên, do tương tác của nấm với cây trồng, Trichoderma  it has có thể được xem là BCA gián tiếp và là một biostimulant (chất kích hoạt sinh học), cho phép làm giảm sự sử dụng nhiều chất nông dược (agrochemicals), do đó, nó thúc đẩy cái gọi là nông nghiệp sin thái bền vững (ecosustainable agriculture) (1). Phân tích quan hệ di truyền cho thấy chi Trichoderma chia sẻ với tổ tiên gần nhất, những loài nấm hypocrealean ký sinh trên côn trùng (e.g., Cordyceps, Beauveria) và đã tiến hóa tờ tổ tiên có tính chất predecessor với khả năng phân giải cellulose hạn chế mà chúng ăn cả fungi (nấm) hoặc arthropods (động vật chân đốt) (2). Sự tiến hóa của Trichoderma sau đó đã hướng tới sự thay đổi ký chủ liên tiếp kết hợp gây bệnh mycotrophy và phytophagy (3), nó người ta chấp nhận rộng rải rằng ký sinh là lối sống tổ tiên của chi này (4). Tuy nhiên, hoạt động trực tiếp chống lại côn trùng cùng với đấu tranh sinh học gián tiếp thông qua kích hoạt hệ thống phòng thủ của thực vật hoạc thu hút kẻ thù của sâu hại, hoặc bằng các chất chuyển hóa do Trichoderma sản xuất hoặc do nấm sản xuất ra “phytocompound” từ cây trồng, tất cả đó là đặc điểm tính trạng của nấm Trichoderma đã giữ lại và có được trong quá trình tiến hóa nhảy vọt của nó. Di Lelio et al. (5), trong PNAS, mô tả làm thế nào tương tác giữa nấm đa dưỡng–thực vật–động vật–vi khuẩn (Fig. 1) diễn ra hình thành nên cơ chế mới của đấu tranh sinh học của Trichoderma với sâu hại thông qua  sự cải biên của hệ vi khuẩn trong sâu non bị nấm ký sinh khi sâu ăn lá cây có xử lý mà hệ thống metabolome của chúng đã được cải biên theo sau sự tấn công của Trichoderma.

Kết quả cho thấy cây được xử lý Trichoderma có hàm lượng acid béo và hàm lượng amino acid phong phú thấp hơn, tích tụ glycogen tăng, và tiến trình ô xi hóa (activated oxidative) tăng, gen miễn nhiễm chống lại vi khuẩn tăng, kết quả còn thấy rằng: sự hiện hữu của sự không cân bằng (dysbiosis: loạn khuẩn) trong thành phần chức năng và trao đổi chất của hệ sinh vật đưởng ruột  (gut microbiota) sau khi sâu tiệu hóa lá đã được xử lý Trichoderma.

Trichoderma đã và đang tiến hóa để điều hòa rối loạn tiêu hóa đường ruột của côn trùng ăn lá có xử lý BCA. Công trình khoa học được báo cáo bởi Di Lelio et al. (5) tiết lột các mối liên hệ phức tạp giữa các kingdoms trong phân loại sinh vật, có thể xảy ra trong hệ thống tự nhiên và trong nông nghiệp, và làm sáng tỏ khía cạnh mới của mối tương tác đa dạng, phức tạp; mà tương tác này sẽ có một tác động đáng kể đối với thành công của đấu tranh sinh học trong tương lai.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2301971120