Tuần tin khoa học 840 (22-28/05/2023)

Định tính carotenoids trong hạt cây cao lương

Nguồn: Clara Cruet-Burgos, Geoffrey P Morris, Davina H Rhodes. 2023. Characterization of grain carotenoids in global sorghum germplasm to guide genomics-assisted breeding strategies. BMC Plant Biol.; 2023 Mar 28; 23(1):165. doi: 10.1186/s12870-023-04176-0.

Thực phẩm chức năng từ cây trồng (crop biofortification) là một chiến lược thành công để  cải tiến tình trạng thiếu vitamin A. Cao lương là ứng cử viện cây trồng kah1 tốt đối với thực phẩm chức năng cung cấp vitamin A, vì nó là lương thực chính của vùng mà nhân dân có tỷ lệ thiếu vitamin A cao. Tiền chất β-carotene của vit. A đang nằm dưới ngưỡng chuẩn trong cao lương, do đó, biofortification trong chương trình cải tiến giống cao lương rất được quan tâm. Những nghiên cứu trước đây đã tìm thấy chứng cứ rằng biến dị di truyền của carotenoid cao lương có tính chất oligogenic, như vậy, chọn giống nhờ chỉ thị phân tử có thể là một phương pháp biofortification rất thích hợp. Tuy nhiên, người ta giả định rằng carotenoids cao lương có cả hai hợp phần oligogenic và polygenic trong biến thiên di truyền. Người ta đề xuất cái gọi là “genomics-assisted breeding” để thúc đẩy những cố gắng mạnh hơn trong chọn tạo giống, tuy nhiên, những khoảng trống về kiến thức di truyền về cơ bản về biến dị carotenoid vẫn còn đó, cũng như tập đoàn giống cao lương tương thích được dùng làm nguồn cho (donors) vẫn chưa được xác định.

Theo nghiên cứu này, người ta đã định tính được carotenoids trong tập đoàn giống bao gồm 446 mẫu giống cao lương và tương ứng với tập họp các carotenoid hiện hữu thông qua kết quả chạy sắc ký lỏng chất lượng cao (high-performance liquid chromatography), xác định các mẫu giống cao lương có hàm lượng carotenoid cao mà kết quả trước đó chưa công bố. “Genome-wide association studies” được thức hiện với 345 mẫu giống, xác định zeaxanthin epoxidase là một gen chủ lực gắn với biến dị di truyền không chỉ zeaxanthin, mà còn lutein và β-carotene. Dòng cao lương có hàm lượng carotenoid cao được tìm thấy có đa dạng di truyền hạn chế, và xuất phát chỉ từ một nước. Đa dạng di truyền có tiềm năng mới đối với hàm lượng carotenoid đã được xác định thông qua phương pháp “genomic predictions” của 2.495 mẫu giống cao lương từ ngân hàng gen chưa được khai thác. Biến thiên di truyền có tính chất oligogenic của tính trạng carotenoids được xác định, cũng như chứng cứ  về biến thiên số lượng polygenic, điều này cho thấy cả hai phương pah1p chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và sàng lọc di truyền (genomic selection) đều có thể giúp cho công tác cải tiến giống cao lương thành công.

Thực phẩm chức năng giàu vitamin A từ cao lương có thể mang lại lợi ích cho hàng triệu cư dân đang dựa vào nó như thực phẩm chủ yếu hàng ngay, Hàm lượng carotenoid của cao lương thấp, nhưng hệ số di truyền cao cho thấy việc gai tăng hàm lượng này thông qua breeding là khả thi. Đa dạng di truyền thấp trong các dòng có carotenoid cao, có thể là hạn chế chính cho nỗ lực cải tiến giống, do đó, người ta định tính ngân hàng giống khá sâu để đánh giá  tính khả thi của  “biofortification breeding”. Trên cơ sở quỹ gen hiện có được đánh giá, sự thiếu các alen “carotenoid” của hầu hết những quốc gia sử dụng cao lương là lương thực chính, thúc đẩy nội dung “pre-breeding” (tạo nguồn vật liệu qua lai tạo, trước khi lai chính thức) sẽ trở nên vô cùng cấp thiết. Bộ chỉ thị SNP của gen zeaxanthin epoxidase đã được xác định như một ứng cử viên tốt phục vụ “marker-assisted selection”. Do biến thiện di truyền mang bản chất oligogenic và của tính trạng carotenoids hạt cao lương, cho nên cả hai nội dung chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và chọn giống nhờ sàng lọc di truyền (genomic selection) đều có thể được khai thác.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36977987/

Phát tán bệnh héo Fusarium chuối tại Mozambique bởi nòi sinh lý của nấm Fusarium odoratissimum Tropical Race 4

Nguồn: Anouk C van Westerhoven, Harold J G Meijer, Joost Houdijk, Einar Martínez de la Parte, Elie Luntadila Matabuana, Michael F Seidl, Gert H J Kema. 2023. Dissemination of Fusarium Wilt of Banana in Mozambique Caused by Fusarium odoratissimum Tropical Race 4. Plant Dis.; 2023 Mar;107(3): 628-632. doi: 10.1094/PDIS-07-22-1576-SC. 

Bệnh FWB (Fusarium wilt of banana) là vấn nạn của bệnh lan truyền từ đất. Trong thế kỷ trước, FWB đã tàn phá canh tác chuối Gros Michel tại Trung Mỹ. Hiện nay, bệnh đe dọa trên tất cả vùng trồng chuối của thế giới. Tác nhân gây bệnh dịch này (epidemics) rất đa dạng. Chuối Gros Michel bị xâm nhiễm bởi một phổ rộng các loài của chi Fusarium, các chủng nòi có tên là “Race 1”, trong khi đó chuối Cavendish bị xâm nhiễm bởi Fusarium odoratissimum, được gọi với tên phổ biến là Tropical Race 4 (TR4). TR4 được ghi nhận tại Mozambique trên hai trang trại chuối trồng thương mại vào năm 2013, nhưng không có sự xâm nhiễm nào được tìm thấy bên ngoài ranh giới trang trại vào năm 2015, như vậy bệnh này vẫn trong tầm kiểm soát. Ở đây người ta ghi nhận sự hiện hữu của nòi TR4 bên ngoài ranh giới trang trại nói trên. Người ta thu mẫu nấm bệnh từ 13 cây chuối của nông hộ nhỏ và chuối đuộc trồng theo bờ đường tại nhiều địa điểm khác nhau ở Bắc Mozambique. Người ta tiến hành xát nghiệm mẫu, biểu hiện dương tính đối với TR4 bằng kỹ thuật chấn đoán phân tử và xét nghiệm phát sinh bệnh trong nhà kính. Kết quả được xác định với cách ly lại (reisolation), rồi hoàn thiện bằng định đề Koch (Koch's postulates). Để nghiên cứu sự đa dạng của những mẫu phân lập TR4 ở Mozambique, người ta chọn lọc 5 mẫu để thực hiện “whole-genome sequencing”. So với trình tự tham chiếu toàn cầu của các mẫu TR4 cho thấy rằng chúng  biến thiên di truyền rất kém, như vậy nấm này lan rộng vô tính tại Mozambique. Hơn nữa, các mẫu phân lập nấm từ Mozambique được phân biệt rất rõ ràng về di truyền từ những xâm nhập khác có tính chất địa lý, như vậy, người ta không thể theo dấu nguồn gốc của TR4 tại Mozambique. Tuy nhiên, kết quả này chứng minh được sự phát tán của nấm TR4 tại Mozambique, nhấn mạnh sự thất bại của các chiến lượng quản lý bệnh hại. Điều này đe dọa thật sự sản xuất chuối ở châu Phi.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35984393/

Hình 2. Bệnh “Fusarium wilt” của chuối Cavendish tại Mozambique bởi Tropical Race 4 (TR4).

Động thái tiến hóa của họ gen WRKY của các loài thuộc chi Arachis

Nguồn: Mingwei Chen, Meiran Li, Longgang Zhao, Hui Song. 2023. Deciphering evolutionary dynamics of WRKY genes in Arachis species.BMC Genomics; 2023 Jan 27; 24(1):48. doi: 10.1186/s12864-023-09149-z.

Giống đậu phụng trồng trọt (Arachis hypogaea), là con lai của tổ tiên giữa A. duranensis x A. ipaensis. Nó là cây trồng cho dầu và protein cực kỳ quan trọng từ Nam Mỹ. Hiện nay, có ít nhất sáu genomes Arachis đã và đang được giải trình tự DNA. Yếu tố phiên mã TF của WRKY có vai trò quan trọng trong tăng trưởng và phát triển; phản ứng với stress sinh học và phi sinh học. WRKY TFs đã được người ta phân lập thành công trong loài A. duranensis, A. ipaensis, và A. hypogaea cv. Tuy nhiên, giống đậu phụng canh tác Tifrunner phản ánh biến dị di truyền của số lần lai và kết quả tiến hóa đối với những loài Arachis spp. còn chưa rõ ràng về giải thích.

Yếu tố phiên mã WRKY đã được xác định và được so sánh qua nhiều loài khác nhau của chi Arachis, bao gốm A. duranensis, A. ipaensis, A. monticola, A. hypogaea [giống đậu phụng trồng trọt (cv.) bao gồm giống Fuhuasheng, A. hypogaea cv. Shitouqi, và A. hypogaea cv. Tifrunner]. Kết quả cho thấy yếu tố phiên mã WRKY đã trải qua sự kiện “equilibrium” tích cực giữa loài đậu lưỡng bội và loài tứ bội, được người ta định tính bởi sự mất đi của yếu tố phiên mã rất cũ WRKY và sự giữ lại những cái mới. Đáng kể là, giống đậu phụng trồng trọt đã di truyền mang tính bảo thủ nhiều hơn “những WRKY tương đồng” từ loài hoang dại tứ bội so với tổ tiên lưỡng bội. Phân tích “W-box elements” và phân tích tương tác protein x protein cho thấy tiến trình thuần hóa khác nhau đã ảnh hưởng đến sự tiến hóa của WRKY trong các dòng đậu phụng canh tác. Yếu tố phiên mã WRKY của A. hypogaea cv.; giống đậu phụng Fuhuasheng và Shitouqi biểu hiện một tiến trình thuần hóa hết sức giống nhau, trong khi giống đậu phụng Tifrunner đã trải qua tiến trình thuần hóa hết sức khác biệt theo kết quả phân tích tương tác protein x protein.

Nghiên cứu này cung cấp kiến thức mới về sự tiến hóa của yếu tố phiên mã WRKY trong loài của chi Arachis.

Xemhttps://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36707767/

Geranyl/farnesyl diphosphate synthase có chức năng kép trong tế bào chất hoa hồng, quyết định sinh tổng hợp “geraniol”

Nguồn: Corentin Conart, Dikki Pedenla Bomzan, Xing-Qi Huang, +19, and Benoît Boachon. 2023. A cytosolic bifunctional geranyl/farnesyl diphosphate synthase provides MVA-derived GPP for geraniol biosynthesis in rose flowers. PNAS May 1, 2023; 120 (19) e2221440120

Geraniol, một hợp chất bay hơi quy định tính chất độc đáo của mùi hoa hồng, được tổng hợp thông qua lộ trình mang tính chất không kinh điển, phụ thuộc NUDX1 từ GPP ở dịch tế bào chất (GPP: geranyl diphosphate), nguồn gốc của chất này vẫn chưa được biết rõ. Người ta tiến hành chứng minh: enzyme GPP synthase có tính chất heterodimeric làm ra GPP có tính chất plastidic trong thực vật, enzyme FPP synthase hai chức năng của tế bào chất sản sinh ra cả hai GPP và FPP (farnesyl diphosphate) thông qua lộ trình mevalonate của bông hồng. Enzyme này, có tính bảo thu trong các loài thuộc họ Rosaceae, tiến hóa từ FPPSs  của tổ tiên với hai amino acids đóng góp vào sản phẩm GPP/FPP hết sức chuyên biệt. Nó đóng vai trò tiến quyết trong phát thải ra không khi mùi thơm geraniol và germacrene D cũng như dihydro-β-ionol, chất sau cùng do vận chuyển chất trung gian RcG/FPPS1-dependent isoprenoid từ dịch bào chất vào plastids.

Geraniol dẫn xuất từ tinh dầu (essential oils) của nhiều loài cây trồng khác nhau được người ta khai thác phổ biến trong công nghiệp dầu thơm và mỹ phẩm. Đây là tính trạng quan trọng làm mùi thơm đặc biệt của cây hóa hồng. Khác với những monoterpenes sản sinh ra từ plastids thông qua  lộ trình methyl erythritol phosphate, sinh tổng hợp geraniol của hoa hồng vẫn dựa vào men NUDX1 hydrolase trong dịch bào chất; thực hiện phản ứng khử phosphoryl (dephosphorylates) của geranyl diphosphate (GPP). Tuy nhiên, nguồn gốc biến dưỡng của cytosolic GPP chưa được biết rõ. Thông qua canh tác giống hoa hồng Rosa chinensis “Old Blush” trong nghiệm thức đặc biệt với tiền chất (precursors) và với chất chất chế (inhibitors), được kết hợp trong phổ biểu hiện biến dưỡng (metabolic profiling) và phương pháp định tính chức năng của các enzymes in vitro và enzymes in planta, người ta ghi nhận rằng: geraniol được tổng hợp thông qua lộ trình MVA ở dịch bào chất (mevalonate: MVA) bởi men có chức năng kép geranyl/farnesyl diphosphate synthase, RcG/FPPS1, sinh ra cả GPP và FPP (farnesyl diphosphate). Điều tiết theo kiểu “down” và biểu hiện mạnh mẽ của gen RcG/FPPS1 ở cánh hoa hồng ảnh hưởng không chỉ khí geraniol và germacrene D mà còn dihydro-β-ionol, chất sau cùng là kết quả của tích hợp chất trung gian isoprenoid phụ thuộc vào RcG/FPPS1 di chuyển từ dịch bào chất vào các plastids. Phân tích di truyền huyết thống kết hợp với định tính chức năng các gen đồng dạng G/FPPS orthologs cho thấy hoạt tính của G/FPPS được bảo tồn trong các loài của Rosaceae. Cho đột biến tại chổ (site-directed mutagenesis) và mô phỏng toán trên cơ sở động học phân tử (molecular dynamic simulations) dẫn đến kết quả xác định được hai amino acids bảo thủ tham gia tiến hóa từ FPPSs tổ tiên  và đóng góp vào tính chuyên biệt của sản phẩm GPP/FPP. Nghiên cứu làm rõ được nguồn gốc của cytosolic GPP đối với sản sinh ra geraniol có tính chất phụ thuộc NUDX1. Kết quả cung cấp kiến thức mới về hoạt tính của RcG/FPPS1 GPPS từ FPPSs của tổ tiên, kết quả cho thấy RcG/FPPS1 có vai trò quan trọng trong sinh tổng hợp chất bay hơi terpenoid trong hoa hồng.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2221440120

Hình: Genome RcOB có sáu ứng cử viên IDS mà hai enzyme thuộc FPPS-like synthases có trong dịch bào chất.

(A) Maximum likelihood tree của trình tự protein - 6 RcOB trans-short-chain IDSs (chữ màu hồng) với IDSs định tính từ loài Abies grandis (Ag), Antirrhinum majus (Am), Arabidopsis thaliana (At), Clarkia breweri (Cb), Catharanthus roseus (Cr), Humulus lupulus (Hl), Mentha piperita (Mp), Phalaenopsis bellina (Pb), Picea abies (Pa), Populus trichocarpa (Pt), Quercus robur (Qr), Rosa chinensis “Old Blush” (Rc), và Solanum lycopersicum (Sl). Chữ số là giá trị bootstrap tương ứng. Cây gia hệ căn cứ vào RcGDS (Germacrene D synthase). Polyprenyl pyrophosphate synthase (PPPS).

(B) Phân tích transcrioptome của sáu RcOB IDSs và RcNUDX1-1as so sánh với các mức geraniol khác nhau trong R. chinensis “Old Blush” (OB) và 9 Rosa x hybrida cultivars bao gồm R. x hybrida “Akito” (AK), R. x hybrida “The Fairy” (FY), R. x damascena “Kazanlik” (KZ), R. x odorata “Lady Hillingdon” (LH), R. x hybrida “The Mc Cartney rose” (MC), R. x hybrida “Marius Ducher” (MD), R. x hybrida “Pariser Charme” (PC), R. x hybrida “Papa Meilland,” (PM) và R. x hybrida “Rouge Meilland” (RM). Heatmap trên cùng cho thấy mức độ biểu hiện của sáu IDS candidates và RcNUDX1-1as theo kết quả chạy RNA-Seq trên hoa hồng trổ (Stage 5) của 10 giống hoa hồng và biểu hiện ra như những transcripts per million (TPM). Số liệu là giá trị trung bình từ ba lầm lập lại. Mức độ biểu hiện đối với RcNUDX1-1as đặc trưng cho tổng số TPMs của năm RcNUDX1-1as hiện hữu trong RcOB genome (7). Heatmap ở bảng dưới là mức độ geraniol được phân tích trong bông (Stage 5) của 10 giống hồng. Số liệu là giá trị trung bình từ 2 đến 7 lần lập lại. hệ số tương quan Pearson so sánh các mức độ transcript từ mỗi một gen đối với hàm lượng geraniol của 10 giống bông hồng biểu hiện bên tay phải của bảng trên cùng. Giá trị r có ý nghĩa ở P  (≤0.05) biểu thị màu xanh green.

(C) Định vị trong tế bào của RcOB IDSs theo tế bào biểu bì hình nón ở cánh hoa hồng RcOB. Biểu đồ cho thấy bên phải là biểu hiện transient của tế bào RcOB. CDS của ứng cử viên RcOB IDS và RcNUDX1-1a được dung hợp lại với eGFP hoặc mCherry tại đầu C như một chỉ thị. mCherry được dung hợp với những markers khác nhau có tính chất subcellular markers đối với cytosol (mCherry không chủ đích), plastids (CD3-999), và ty thể bộ (CD3-991). Merge channel cho thấy cả tín hiệu của eGFP và mCherry với quầng sáng (Scale bar, 10 µm.).