Tuần tin khoa học 834 (10-16/04/2023)

Chức năng của CRIB domain-containing protein và tính trạng nứt vỏ hạt dưa hấu

Nguồn: Qi Mi, Hongqian Pang, Feishi Luan, Peng Gao & Shi Liu. 2023. Integrated analysis of biparental and natural populations reveals CRIB domain-containing protein underlying seed coat crack trait in watermelon. Theoretical and Applied Genetics April 2023; vol. 136, Article number: 95

Losuc scc qui định tính trạng nứt vỏ hạt dưa hấu (seed coat crack) được thực hiện kỹ thuật “fine mapped” tr6n nhiễm sắc thể 3. Gen Cla97C03G056110 (chú thích là CRIB domain-containing protein) được xem như là gen ứng cử viên.

Tính trạng “seed coat crack” (scc) là một tính trạng đặc thù của dưa hấu so sánh với các loài khác thuộc họ dưa (cucurbit crops). Tuy nhiên, thông tin có liên quan đến căn cứ di truyền học của tính trạng này vô cùng hạn chế. Người ta thực hiện nghiên cứu dòng Saskatchewan (COS) (non-scc) làm bố mẹ và thấy rằng tính trạng scc được diều tiết bởi một gen lặn thông qua kết quả khảo sát 2 năm. Chạy trình tự quần thể BSA (bulk segregant analysis sequencing: BSA-seq) và thiết kế bản đầu di truyền ban đầu đặt locus scc tại vùng có kích thước phân tử 808.8 kb trên nhiễm sắc thể 3. Đánh giá quần thể khác là 1152 cây F₂ đã thu hẹp lại đoạn phân tử locus scc còn 277.11 kb chứa tất cả 37 gen ứng cử viên. Do thiếu những chỉ thị phân tử trong quãng giữa chứa gen đích, theo kết quả fine-mapping, do vậy, người ta đã tách chiết các biến thể của trình tự DNA của genome trong vùng phân tử 277.11 kb này với công cụ in silico BSA trong số 17 dòng được “re-sequenced” (6 scc và 11 non-scc); cuối cùng, người ta thu hẹp được locus scc xuống còn 8.34 kb với chỉ một gen ứng cử viêh Cla97C03G056110 (CRIB domain-containing protein). Ba loci đa hình của chỉ thị SNP tại vùng promoter của gen Cla97C03G056110 đã thay đổi những nguyên tố cis-acting elements mà chúng tương quan rất chặt chẽ với tập đoàn giống dưa hấu trong tự nhiên. Sự biểu hiện gen Cla97C03G056110 trong mô võ hạt dưa non-scc cao hơn  dòng dưa scc,  nó biểu hiện mang tính đặc thù trong võ hạt  so với thịt quả dưa hấu.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04320-2

Kháng mạnh, chuyên tính với nòi địa lý và kháng không chuyên tính nòi, theo số lượng, đối với bệnh cây, thông qua sàng lọc di truyền

Nguồn: Sebastian Michel, Franziska Löschenberger, Christian Ametz & Hermann Bürstmayr. 2023. Toward combining qualitative race-specific and quantitative race-nonspecific disease resistance by genomic selection. Theoretical and Applied Genetics April 2023; vol. 136, Article number: 79

Chiến lược mới sàng lọc di truyền hệ gen thu nhận được cơ hội độc đáo nhằm phát triển các giống cây trồng kháng chuyên tính với nòi địa lý mang tính chất “qualitative” mà tính kháng ấy có  mức độ kháng cao của nhiều tính kháng theo kiểu “quantitative” bền vững hơn, kháng không chuyên tính nòi.

Thuật ngữ “race-specific qualitative resistance genes” (R-genes) liên quan đến luận điểm tính kháng hoàn toàn trong nhiều hệ thống pathogen (pathosystems), nhưng thường bị phá vỡ bởi các nòi mới mang độc tính mới. Khi R-genes bị pha vỡ (overcome), sẽ có một biến dị di truyền rất rộng của tính kháng bệnh kiểu số lượng QDR (quantitative disease resistance) được quan sát thấy trong một bộ sư tập các nòi chuyên tính có trước đó, ví dụ, giống kháng bệnh hoàn toàn – một hiện tượng có thuật ngữ khoa học là “vertifolia effect” (ảnh hưởng kháng chiều dọc). Chính QDR mang tính chất race-nonspecific này được người ta xem xét như biểu hiện kháng bền vững hơn (more durable) xét theo lâu dài, nhưng đơn thuần vẫn là cách bảo vệ cây trồng chống lại các pathogens. Nghiên cứu mô hình toán như vậy  nhằm mục đích gỡ rối tính kháng qua trung gian gen R đặc thù cho nòi địa lý và các gen ứng cử viên chọn lọc đang chờ xử lý trên nền tảng di truyền học thông qua sàng lọc các bộ gen khác nhau. Giá trị hiệu quả chọn lọc thật sự phản ánh kết quả dữ liệu cuối cùng (performance data) đối với tính kháng bệnh rỉ sắt của lúa mì đã được người ta mô hình hóa bằng toán học, sử dụng trong phương pháp chọn giống có thuật ngữ là “recurrent genomic selection” (sàng lọc di truyền tái tục)  trên cơ sở nhiều mô hính toán chính xác trong dự đoán và trong thiết kế quần thể “training”. Sử dụng “training populations”, người ta không có gen R đặc thù cho nòi địa lý, do đó,  đây là mấu chốt để cải thiện hiệu quả QDR lâu dài. “Marker-assisted preselection” (chọn lọc trước nhờ chỉ thị phân tử) đối với sự có mặt của các gen R, theo sau đó là dự đoán sàng lọc hệ gen (genomic prediction) với sự tập thọp của nhiều loci số lượng, từ nhỏ đến trung bình, làm cơ sở cho QDR  trên nền di truyền của giống kháng chuyên tính nòi xảy ra trong tương lai để trở thành phương pháp tiếp cận triển vọng nhằm chọn được cùng một lúc cả hai kiểu hình tính kháng nói trên. Ứng dụng cụ thể của kết quả này trong chiến lược “genomic breeding” nhận được cơ hội tốt để phát triển giống lúa mì có nhiều loại hình tính kháng, tích hợp trong cùng một giống, nó có tiềm năng giúp cây trồng không bị mất tính kháng dưới những điều kiện có tính chất “epidemic” (biểu sinh) bởi mức độ cao của QDR ngay cả khi các gen kháng chuyên tính với nòi bị pathogen phá vỡ thông qua quần thê pathogen tiến hóa diệu kỳ.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04312-2

Đột biến của gen CaCKI1 làm cây ớt ngọt (Capsicum annuum) không hạt

Nguồn: Takahiro Maki, Hirokazu Kusaka, Yuki Matsumoto, Akira Yamazaki, Shohei Yamaoka, Sho Ohno, Motoaki Doi & Yoshiyuki Tanaka. 2023. The mutation of CaCKI1 causes seedless fruits in chili pepper (Capsicum annuum).  

Theoretical and Applied Genetics April 2023; vol. 136, Article number: 85

Đột biến không hạt tn-1 của cây ớt bởi sự đột biến của gen CaCKI1 (CA12g21620), gen này mã hóa protein có tên là histidine kinase có trong sự phát triển giao tử cái (female gametophyte). Sự chèn của một amino acid tại domain của phân tử receiver  của protein CaCKI1 có thể là đột biến đáp ứng với gen tn-1.

Hình:  Quả ớt chuông không hạt bởi gen CaCK11

Tính trạng không hạt (seedlessness) là một tính trạng mong muốn của nhà chọn giống cây cho quả ăn được, vì việc loại bỏ hạt ra khỏ trái rất phiền toái đối với người tiêu dùng và công nghệ chế biến trái cây. Tuy nhiên, người ta biết rất ít về giống ớt không hạt. Một nghiên cứu trước đây, người ta thấy đột biến tn-1 trong giống ớt, nó được sản xuất “seedless fruits” thành công và được người ta xác nhận. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành định tính gen tn-1 và phân lập gen “causative” (gen đích). Cho dù có sự nẩy mầm của hạt phấn xảy ra bình thường, nhưng kết quả nghiên cứu qua kính hiển vi lase đồng tiêu cự cho thấycó sự thiếu đi sự phát triển túi phôi (embryo sac) trong cây ớt tn-1. Kết quả phân tích chỉ thị phân tử cho thấy locus tn-1 được thu hẹp xuống còn 313 kb trên nhiễm sắc thể 12. Phân tích sâu kết hợp với “mapping-by-sequencing” đã xác định được CA12g21620, mã hóa histidine kinase như một gen ứng cử viên. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy CA12g21620 là gen đồng dạng với gen CKI1 (Cytokinin Independent 1) của cây Arabidopsis, nó có vai trò quan trọng trong phát triển giao tử cái (female gametophyte), và CA12g21620 được ký hiệu là CaCKI1. Kết quả phân tích trình tự DNA cho thấy tn-1 có một đoạn phân tử chèn đoạn, dài 3-bp tại exon thứ sáu làm chèn gốc lysine (K) tại “receiver domain” của CaCKI1. Trình tự DNA gần phân tử chèn đoạn được bảo tồn khá chặt chẽ trong các CKI1 orthologs (gen đồng dạng) của nhiều loài cây trồng. Như vậy có một chèn đoạn tại  K residue làm giảm phosphoryl hóa tiếp sức cho downstream của CaCKI1 và làm suy yếu sự phát triển bình thường của gia tử cái, kết quả cuối cùng là tạo ra kiểu hình ớt không hạt trong cây ớt tn-1. Bên cạnh đó, người ta chứng minh được rằng hiện tượng câm gen bị kích hoạt bởi virus đối với CaCKI1 cũng làm giảm sự phát triển bình thường của “female gametophyte” cây ớt. Kết quả nghiên cứu mô tả vai trò quan trọng của CaCKI1 trong sự phát triển hạt ớt và phát triển các dòng ớt không hạt thông qua xử lý đột biến.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04342-w

Di truyền tính chống chịu mặn của cây lúa thông qua gen ứng cử viên 'Sea Rice 86' ở giai đoạn mạ và giai đoạn lúa trổ

Nguồn: Qinmei Gao, Hongyan Wang, Xiaolin Yin, Feng Wang, Shuchang Hu, Weihao Liu, Liangbi Chen, Xiaojun Dai, Manzhong Liang. 2023.  Identification of Salt Tolerance Related Candidate Genes in 'Sea Rice 86' at the Seedling and Reproductive Stages Using QTL-Seq and BSA-Seq. Genes (Basel); 2023 Feb 10; 14(2):458. doi: 10.3390/genes14020458.

Stress mặn ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển của cây, làm giảm năng suất lúa đáng kể. Do đó, người ta phải phát triển giống lúa cao sản chống chịu mặn thông qua phân tích QTL và BSA (bulked segregant analysis) tại focus chủ lực của kết quả dự án “molecular breeding”. Nghiên cứu này sử dụng sea rice (SR86) có tính trạng chống chịu mắn tốt hơn giống lúa thông thường. Trong điều kiện stress mặn, màng tế bào  và diệp lục tố ổn định hơn và hoạt tính của enzyme “antioxidant” cao hơn trong giống lúa SR86 so với giống lúa thường. Người ta sử dụng 30 cây cực kỳ chịu mặn và 30 cây cực kỳ nhiễm mặn từ quần thể con lai F₂ của tổ hợp lai SR86 × Nipponbare (Nip) và SR86 × 9311 trong giai đoạn lúa tăng trưởng sinh thực và giai đoạn sinh dục của cây, rồi trộn thành bulks. Có 11 gen liên quan đến gen ứng cử viên chịu mặn định vị theo kết quả chạy QTL-seq kết hợp với phân tích BSA.  Kết quả chạy RT-qPCR cho thấy LOC_Os04g03320.1 và BGIOSGA019540 biểu hiện ở mức độ cao trong giống lúa SR86, cao rất nhiều so với cây lúa Nip và 9311, như vậy, những gen này cần thiết cho tính chống chịu mặn của SR86. Những QTLs này được xác định thông qua các phương pháp nói trên trong chương trình cải tiến giống lúa cao sản chịu mặn.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36833384/

Biểu hiện của gen ứng viên trong giống lúa SR86, Nip, và 9311; xử lý mặn: normal (0 mM NaCl),  150 mM NaCl chạy RT−qPCR. (a) Biểu hiện gen ứng cử viên của Nip. (b) Biểu hiện gen ứng cử viên của SR86. (c) Biểu hiện gen ứng cử viên của 9311. (d) Biểu hiện gen ứng cử viên của SR86, cây lúa phơi nhiễm trong 150 mM NaCl thời gian 24 giờ. Thang abscissa biểu hiện nồng độ mặn; thang ordinate mức độ biểu hiện gen, tính theo phương pháp 2^−ΔΔCT. Số liệu biểu hiện bởi giá trị trung bình ± SD với 3 lần nhắc lại.