Tuần tin khoa học 837 (01-07/05/2023)

Phân tích QTL-seq và hệ transcriptome về di truyền tính chống chịu lạnh của cây bắp

Nguồn: Ru-Yu He, Jun-Jun Zheng, Yu Chen, Ze-Yang Pan, Tao Yang, Yang Zhou, Xiao-Feng Li, Xinyi Nan, Ying-Zheng Li, Ming-Jun Cheng, Yan Li, Yang Li, Xu Yan, Muhammad-Zafar Iqbal, Jian-Mei He, Ting-Zhao Rong & Qi-Lin Tang. 2023. QTL-seq and transcriptomic integrative analyses reveal two positively regulated genes that control the low-temperature germination ability of MTP–maize introgression lines. Theoretical and Applied Genetics May 2023; vol. 136, Article number: 116

Hai gen ứng cử viên (ZmbZIP113 và ZmTSAH1) điều khiển tính trạng nẩy mầm hạt bắp trong điều kiện nhiệt độ thấp được người ta xác định thông qua kết quả chạy QTL-seq và phân tích hệ phiên mã tích hợp (integrative transcriptomic analyses). Kết quả xác định chức năng di truyền của hai gen này cho thấy có sự điều tiết tích cực  sự kiện hạt nẩy mầm được ở nhiệt độ lạnhcủa giống IB030.

Điều kiện nhiệt độ lạnh làm suy giảm hoạt động biến dưỡng của hạt bắp (Zea mays L.), kết quả là chồi non nẩy mầm rất chậm và cho ra những cây bắp non không bình thường, dẫn đến mất năng suất khá nặng. Do đó, cải thiện giống bắp có khả năng nẩy mầm dưới nhiệt độ lạnh LTGA (low-temperature germination ability) là cần thiết để tăng năng suất. Loài hoang dại gần gủi với giống bắp canh tác, như loài Z. perennis và Tripsacum dactyloides, biểu hiện tính trạng chống chịu lạnh rất mạnh, người ta có thể sử dụng nguồn vật liệu ấy để cải tiến LTGA của cây bắp. Theo một nghiên cứu trước đó, cầu nối di truyền MTP đã được thiết kế (từ giống bắp trồng, T. dactyloides, và Z. perennis) để có được dòng bắp dẫn xuất có LTGA cao – dòng bắp IB030 nhờ hồi giao. Kết quả thí nghiệm này, dòng IB030 (LTGA mạnh) và dòng Mo17 (LTGA yếu) được tuyển chọn thành bố mẹ của quần thể con lai F₂. Bên cạnh đó, hai QTLs chủ lực (qCS1-1 và qCS10-1) được lập trên bản đồ di truyền. Sau đó, chạy RNA-seq cho kết quả hoàn thiện nhờ sử dụng hạt bắp từ dòng IB030 (nguồn cho) và giống tái tục là B73; nghiệm thức xử lý ở 10 °C thời gian 27 ngày; và nghiệm thức 25 °C thời gian 7 ngày, theo thứ tự, hai gen ứng cử viên (ZmbZIP113 và ZmTSAH1) điều khiển tính trạng LTGA được xác định vị trí nhờ kỹ thuật QTL-seq và integrative transcriptomic analyses. Kết quả minh chứng về chức năng di truyền của hai gen ứng cử viên nói trên điều tiết một cách tích cực tính trạng LTGA của dòng bắp IB030. Đáng chú ý là, dòng hóa gen đích theo hướng “homologous” (đồng hợp tử) cho kết quả nguồn biến dị của cả hai gen ấy có tính chất di truyền ổn định từ alen mục tiêu được du nhập vào dòng bắp trồng, từ loài hoang dại Z. perennis. Kết quả này còn phân tích được biến dưỡng LTGA của dòng IB030 và phân lập được các gen kháng phục vụ cải tiến di truyền của cây bắp, nó chứng minh được rằng sử dụng MTP genetic bridge (cầu nối di truyền từ bắp hoang sang bắp trồng) cho tính trạng mong muốn hoặc kiểu hình mong muốn từ loài hoang dại Z. perennis và tripsacum rất cần thiết phục vụ chương trình cải tiến giống bắp.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04362-6

Khai thác tính bảo thủ trong quá trình tiến hóa của cây sắn để phát hiện đột biến có hại

Nguồn: Evan M Long, M Cinta Romay, Guillaume Ramstein, Edward S Buckler, Kelly R Robbins. 2023. Utilizing evolutionary conservation to detect deleterious mutations and improve genomic prediction in cassava. Front Plant Sci.; 2023 Jan 9;13:1041925.  doi: 10.3389/fpls.2022.1041925. 

Sắn (Manihot esculenta) là cây trồng hàng niên cung ca61o nguồn calories chính cho hơn nửa tỷ dân trên thế giới. Sắn được thuần hóa từ ~10.000 năm trước đây, bây giờ, nó được nhân giống vô tính bằng hom thân. Sự kiện tái tổ hợp hết sức tối thiểu ấy đã và đang dẫn đến kết quả tích tụ rất nhiều đột biến bất lợi, có hại bởi cận huyết nặng.

Muốn định vị và định tính những đột biến như vậy, đồng thời tính toán được áp lực chọn lọc trong hệ gen cây sắn (cassava genome), người ta so sánh trình tự sắn với 52 loài có liên quan gần thuộc Euphorbiaceae và những loài liên quan khác đại diện cho kết quả hàng triệu năm tiến hóa đã diễn ra. Với phương pháp “single base-pair resolution” trong bảo tồn di truyền nguồn gen, người ta đã sử dụng các mô hình cấu trúc protein, tác động của amino acid, và bảo tồn có tính chất tiến hóa (evolutionary conservation) trong Euphorbiaceae để dự đoán hạn chế có tính chất tiến hóa là gì. Với sự hiểu biết về đột biến bất lợi, người ta nhắm đến việc cải tiến các đánh giá di truyền của  hiệu suất thực vật thông qua phương pháp “genomic prediction” (dự đoán hệ gen). Trước tiên, người ta trắc nghiệm lại giả thuyết thông qua mô phỏng toán “multi-kernel GBLUP” để dự đoán được những kiểu hình lý thuyết trong thuật toán thông qua các quần thể sắn rất khác nhau.

Mô phỏng toán như vậy cho kết quả là có một sự gia tăng về quy mô (sizable increase) của độ chính xác phỏng đoán, khi tích hợp lại các biến số thuộc về chức năng di truyền (functional variants) trong model này, khi tính trạng ấy được xác định bởi ít hơn 100 QTLs. Sử dụng những đột biến bất lợi và giá trị chức năng di truyền (functional weights) đã cho nguồn thông tin về bảo tồn mang tính chất tiến hóa của nhiều năm, người ta thấy rằng những cải tiến di truyền trong mức độ chính xác dự đoán hệ gen (genomic prediction accuracy) hoàn toàn độc lập trên tính trạng nghiên cứu và día trị dự đoán.

Như vậy, có khả năng sử dụng được thông tin tiến hóa (evolutionary information) để theo dõi biến thiên của chức năng trên toàn bộ hệ gen cây sắn, nhằm mục đích cải tiến giá trị dự đoán tính trạng nào đó trên toàn hệ gen. Người ta đoán rằng công việc tiếp tục nhằm cải tiến mức độ chính xác về kiểu gen và đánh giá được đột biến có hại sẽ giúp chúng ta cải tiến phương pháp đánh giá mang tính chất genomic của các dòng sắn trồng.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37082510/

Hình: Xác định dòng đột biến có hại. (A) Mức độ tiến hóa baseml dựa trên thang điểm SIFT. Các đột biến có hại được phân loại là những alen dẫn xuất tại vị trí có mức độ tiến hóa baseml < 0.5 và SIFT score < 0.05 (hộp đen). (B) Phân bố của đột biến có hại đồng hợp và dị hợp trong tập đoàn bao gồm 1048 dòng sắn vô tính.

Đột biến gen CsARC6 ảnh hưởng đến màu sắc trái dưa leo và làm tăng dinh dưỡng

Nguồn: Weike Sun, Xu Li, Hongyu Huang, Jingwei Wei, Fang Zeng, Yichao Huang, Qingqing Sun, Weili Miao, Yongqiang Tian, Yuhe Li, Lihong Gao, Xin Li & Hongbo Gao. 2023. Mutation of CsARC6 affects fruit color and increases fruit nutrition in cucumber. Theoretical and Applied Genetics May 2023; vol. 136, Article number: 111

Đột biến gen CsARC6 không những làm trái dưa leo có màu trắng mà còn ảnh hưởng đến tăng trưởng cây và dinh dưỡng trái.

Màu võ trái dưa leo là tính trạng nông học rất quan trọng, nhưng hầu hết gen điều khiển dưa leo màu xanh  có ảnh hưởng đến màu trắng cho đến nay vẫn chưa được biết rõ ràng. Không có nhiều nghiên cứu chuyên sấu được báo cáo về ảnh hưởng của phẩm chất trái do gen màu trắng gây ra. Tác giả thu được dòng dưa leo màu trắng, đột biến em41 thông qua xử lý đột biến bằng hóa chất EMS. Những gen đột biến này được biểu hiện trên bản đồ di truyền ở vùng có độ lớn phân tử 548 kb trên nhiễm sắc thể 2. Kết quả phân tích đột biến gen cho thấy đó là “null allele” của gen CsARC6 (CsaV3_2G029290). Đột biến gen Csarc6 có kiểu hình phổ biến từ gen lặn đột biến arc6 mà các tế bào diệp nhục (mesophyll cells) chỉ có một hoặc hai chloroplasts khổng lồ. Protein ARC6 không được tìm thấy trong cây dưa leo em41, mức độ của FtsZ1 và FtsZ2 cũng giảm. Bên cạnh đó, FtsZ2 không thể hình thành được cấu trúc FtsZ ring-like structures trong cây đột biến em41. Mặc dù cây dưa leo điển hình của đột biến arc6 như vậy, nhưng có một vài kiểu hình đặc biệt xảy ra trong đột biến gen Csarc6, ví dụ như cây thấp lùn và lóng thân rất ngắn, tế bào biểu bì của trái dưa rất lớn, hàm lượng carotenoid giảm, trái nhỏ hơn bình thường, hàm lượng dinh dưỡng trong trái tăng. Người ta phát hiện được gen mới CsARC6, không những điều khiển tính trạng trái dưa có màu trắng mà còn ảnh hưởng đến sự tăng trưởng của cây và phẩm chất trái dưa leo.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04337-7

Lập bản đồ QTL và minh chứng vai trò của chúng về độ dầy tầng aleurone của Oryza sativa

Nguồn: Yiwen Xu, Siming Chen, Mingming Xue, Xingyu Chen, Zhibo Liu, Xuefeng Wei, Ji-Ping Gao & Chen Chen. 2023. Mapping and validation of quantitative trait loci associated with dorsal aleurone thickness in rice (Oryza sativa).  Theoretical and Applied Genetics May 2023; vol. 136, Article number: 117

Hình: Tầng aleuron hạt gạo (Bechtel DB et al 2009) – DAT: dorsal aleuron thickness.

Bản đồ QTL của tính trạng DAT (dorsal aleurone thickness) được hoàn thiện nhờ phân tích quần thể con lai CSSLs (chromosome segment substitution lines) của cây lúa. Ba QTLs có tên là qDAT3.1, qDAT3.2, và qDAT7.1, đã được tìm thấy qua nhiều địa điểm thí nghiệm khác nhau.

Là kiểu tế bào nội nhũ hết sức đâc biệt (endosperm cell), tầng aleurone chứa rất nhiều chất dinh dưỡng trong hạt gạo. Gia tăng số tầng aleurone là cách làm thực tiễn để phát triển hạt mễ cốc có dinh dưỡng cao. Phân lập các gen đích làm tăng độ dầy tầng aleurone rất hữu hiệu cho chương trình cải tiến giống lúa. Một khi tầng aleuron được cải  tiến cũng có nghĩa là cải tiến giá trị sức khỏe con người, giá trị dinh dưỡng hạt gạo. Ở đây, người ta tìm thấy kết quả thông qua phương pháp nhuộm màu iodine. Kết quả tách biệt rõ các tầng aleurone, biểu hiện sự đa dạng rất lớn  về độ dầy tầng aleuron của hạt gạo, đặc biệt là vị trí lưng hạt gạo (dorsal side of the seed). Do đó, người ta  ti61n hành thực hiện nghiên cứu trên quần thể con lai CSSLs dẫn xuất từ giống lúa Koshihikari và Nona Bokra để phân tích QTL mục tiêu điều khiển tính trạng “dorsal aleurone thickness” (DAT). Ba QTLs, qDAT3.1, qDAT3.2, và qDAT7.1, được tìm thấy qua nhiều mùa vụ thí nghiệm. Trong đó, qDAT3.2 định cư trong vùng của Hd6 và Hd16, hai QTLs được tìm thấy trước đó, chúng điều khiển tính trạng ngày trổ bông từ giống lúa Koshihikari, giải thích có tương quan nghịch giữa DAT ngày trổ bông (DTH). Minh chứng còn được ghi nhận là tính trạng trổ bông sớm (early-heading) khẳng định được sự vào chắc của hạt thóc dưới điều kiện nhiệt độ nóng để làm tăng sự dầy lên của tầng aleuron. qDAT7.1, là QTL ổn định nhất biểu hiện qua nhiều địa điểm thí nghiệm lúa khác nhau, chức năng của nó hoàn toàn độc lập với tính trạng ngày trổ bông. Mặc dù giống lúa Nona Bokra có DAT thấp hơn, nhưng alen qDAT7.1 của nó làm gia tăng đáng kể DAT trong hạt gạo, kết quả được minh chứng trong 2 quần thể con lai NILs (near-isogenic lines). Kết quả này dẫn đường cho dòng hóa gen tiếp theo đối với QTLs có liên quan đến tính trạng aleuron và có thể giúp chúng ta cải tiến giống lúa có phẩm chất dinh dưỡng hạt cao.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04368-0