Tuần tin khoa học 854 (28/08 - 03/09/2023)

Phân tích metabolomic và transcriptomic hệ thống biến dưỡng của trái điều

Nguồn: Li Zhao, Bei Zhang, Haijie Huang, Weijian Huang, Zhongrun Zhang, Qiannan Wang, Hongli Luo, Bang An. 2023. Metabolomic and transcriptomic analyses provide insights into metabolic networks during cashew fruit development and ripening. Food Chem.; 2023 Mar 15; 404(Pt B):134765. doi: 10.1016/j.foodchem.2022.134765. 

Hạt điều là nguồn thực phẩm thông dụng của thế giới hiện nay. Phổ biểu hiện phân giải cao của hệ thống metabolomes trong trái điều được hiểu biết rất ít cho đến nay. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta tiến hành phân tích metabolome theo thời gian trái điều phát triển thông qua phương pháp UHPLC-Q-Exactive-MS, và phương pháp UHPLC-QTRAP-MS/MS (MRM). Bên cạnh đó, kết quả phân tích mang tính chất tổng hợp về hệ thống metabolome theo thời gian kết hợp cơ sở dữ liệu transcriptome, người ta đã định tính được đặc điểm tích lũy các chất biến dưỡng đặc thù. Người ta đã xác định được những thay đổi trong phiên mã khi trái điều phát triển. Nhất là, người ta đã tìm thấy phosphatidylinositol species có tỷ lệ chiếm ưu thế của glycerophospholipids không bảo hòa. Người ta xác định được một yếu tố phiên mã TF  đóng vai trò phân tử “regulator” trong sinh tổng hợp phosphatidylinositol. Phân tích trái điều cho thấy các gen có chức năng “metabolic” (biến dưỡng) và những yếu tố phiên mã trong sinh tổng hợp đường. Như vậy, nghiên cứu đã cung cấp luận điểm mới về hệ thống chất biến dưỡng trong quá trình phát triển trái điều, tạo ra nguồn tư liệu đáng giá  cho nghiên cứu cải tiến giống điều tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36444096/

Hình: Quá trình phát triển trái điều cho đến khi trái chín - Zhao et al. 2023.

Đặc điểm nhận dạng mô đặc hiệu trên cơ sở toàn bộ hệ gen bằng phân tử “non-coding RNAs” của cây hồ tiêu (Piper nigrum L.)

Nguồn: Baibhav Kumar, Bibek Saha, Sarika Jaiswal, U B Angadi, Anil Rai, Mir Asif Iquebal. 2023. Genome-wide identification and characterization of tissue-specific non-coding RNAs in black pepper (Piper nigrum L.). Front Plant Sci.; 2023 Mar 16; 14:1079221. doi: 10.3389/fpls.2023.1079221. 

Phân tử lncRNA (long non-coding RNAs) và phân tử circRNAs (circular RNAs) là hai lớp của ncRNA (non-coding RNAs) hiện diện chủ yếu trong tế bào thực vật và có nhiều chức năng điều tiết gen đích ở giai đoạn trước và sau phiên mãs. Trước đây được coi là rác (junck), những phân tử ncRNAs này chưa bao giờ được báo cáo có chức năng quan trọng trong điều tiết sự biểu hiện gen, nhất là khi cây bị stress. Hồ tiêu, tên khoa học là Piper nigrum L., mặc dù là cây có gia vị có giá trị kinh tế quan trọng nhất, nhưng rất thiếu nghiên cứu có liên quan đến phân tử ncRNAs. TỪ tập đoàn có 53 cơ sở dữ liệu RNA-Seq của cây hồ tiêu, lầy từ sáu mô, đó là, hoa, trái, lá, gié bông, rễ, và dây thân của sáu giống tiêu trồng, theo 8 dự án BioProjects của bốn nước, người ta xác định được tất cả 6406 lncRNAs. Kết quả phân tích downstream suy ra rằng phân tử lncRNAs đã điều tiết 781 gen của hồ tiêu / hoặc sản phẩm gen thống qua mạng lưới tương tác miRNA-lncRNA-mRNA, do đó, chúng hoạt động như những RNAs nội sinh có tính cạnh tranh (ceRNAs). Những tương tác này là những cơ chế rất khác nhau như sự làm câm gen bởi miRNA hoặc hoạt động của lncRNAs như đột biến bắt chước có tính nội sinh (eTMs: endogenous target mimics) của phân tử miRNAs. Có tất cả 35 lncRNAs được phân lập là những tiền chất (precursors) của 94 phân tử miRNAs sau khi bị tác động bởi men endonucleases như Drosha và Dicer. Người ta phân tích theo phương pháp “tissue-wise transcriptome” cho thấy có 4621 circRNAs. Hơn nữa, kết quả phân tích hệ thống miRNA-circRNA-mRNA cho thấy có 432 phân tử circRNAs kết hợp với 619 miRNAs, thực hiện cạnh tranh ở các vị trí kết gắn trên 744 phân tử mRNAs ở nhiều mô khác nhau của cây hồ tiêu. Kết quả có thể giúp nhà nghiên cứu có cái nhìn tốt hơn về điều tiết năng suất tiêu và phản ứng của cây với stress trong nỗ lực sản xuất nhiều hơn và cải tiến giống hồ tiêu tương lai.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37008483/

Phát tán bệnh Fusarium Wilt của các vườn chuối tại Mozambique bởi 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 Disease; 2023 Mar; 107(3):628-632. doi: 10.1094/PDIS-07-22-1576-SC.

Bệnh chuối có thuật ngữ chuyên môn là “Fusarium wilt”, viết tắt là FWB, là bệnh phát sinh từ đất do nấm Fusarium spp. gây ra. Trong thế kỷ trước, FWB đã tàn phá vùng trồng chuối Gros Michel ở Trung Mỹ. Hiện nay, bệnh này đang đe dọa trên tất cả vùng trồng chuối chủ lực của toàn thế giới. Đây là bệnh có tính chất “ổ dịch lan truyền” (epidemics), cực kỳ đa dạng.

Hình: Triệu chứng của bệnh “Fusarium Wilt” trên cây chuối.

Chuối Gros Michel đã bị xâm nhiễm bởi nhiều loài nấm Fusarium, người ta gọi đó là các chủng nòi thuộc Race 1 strains, trong khi, chuối Cavendish bị xâm nhiễm bởi Fusarium odoratissimum, người ta gọi đó là Tropical Race 4 (TR4). TR4 được báo cáo ở Mozambique tại hai vùng trồng chuối thương phẩm vào năm 2013, nhưng không xâm nhập nào được tìm thấy ngoài ranh giới hai vùng chuối ấy trong năm 2015, như vậy, bệnh này đã được kiểm soát. Kết quả nghiên cứu cho thấy có hiện diện của TR4 bên  ngoài ranh giới vùng trồng chuối nói trên. Người ta thu thập các mẫu nấm từ 13 cây chuối của nông hộ nhỏ và trồng ven đường tại nhiều địa điểm ở vùng Bắc Mozambique. Các mẫu này có kết quả xét nghiệm dương tính với TR4 (chẩn đoán phân tử) và xét nghiệm phát sinh bệnh trong nhà kính. Kết quả được khẳng định bởi phương pháp tái cách ly (reisolations), định đề Koch. Muốn nghiện cứu sự đa dạng của các mẫu phân lập TR4 tại Mozambique, người ta chọn 5 mẫu để chạy trình tự DNA (whole-genome). So sánh với mẫu thu thập toàn cầu của TR4 cho kết quả có rất ít biến dị di truyền, như vậy nấm này lan truyền đi một cách vô tính (clonally spreading) tại Mozambique. Các mẫu phân lập từ Mozambique tách biệt rất rõ về di truyền với những sự xâm nhập địa lý (geographic incursions) từ nơi khác đến, như vậy, người ta không thể theo dõi dấu vết gốc của TR4 đến Mozambique. Tuy nhiên, kết quả này chứng minh được sự phát tán của TR4 tại Mozambique, nhấn mạnh sự thất bại trong quản lý bệnh này. Điều đó đe dọa sản xuất cuối của châu Phi.

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

Bản đồ GWAS chỉ ra vị trí “DNase I hypersensitive sites” trên lá cây dứa

Nguồn:Kai Ouyang, Qifu Liang, Li Miao, Zhiliang Zhang, Zhanjie Li. 2023. Genome-wide mapping of DNase I hypersensitive sites in pineapple leaves. Front Genet.; 2023 Jul 4; 14:1086554. doi: 10.3389/fgene.2023.1086554. 

Cây dứa [Ananas comosus (L.) Merr.] là loài cây trồng quan trọng có giá trị kinh tế nhất, sở hữu hệ thống quang hợp theo chu trình CAM (crassulacean acid metabolism) mà chu trình này có đặc điểm tăng hiệu quả sử dụng nước cao hơn bởi kiểm soát được sự đóng mở khí khổng cả ngày lẫn đêm.

Người ta muốn cung cấp luận điểm mới về cách điều tiết lá dứa chết như thế nào (diel regulatory landscape in pineapple leaves). Các tác giả tiến hành phương pháp lập bản đồ “genome-wide mapping” tại điểm nhạy cảm của  DNase I (DHSs) của lá dứa vào ban ngày,  lúc 2:00 pm và ban đêm lúc 10:00 pm, thông qua phương pháp giản đơn  chạy DNase-seq.

Kết quả cho thấy, có 33340 đến 28753 điểm nhạy cảm DHSs được tìm thấy ở mô đầu lá xanh, và 29597 đến 40068 được xác định ở mô đáy lá màu trắng tại thời điểm 2 giờ và 10 giờ, theo thứ tự. Quan sát cho thấy đa số các gen của cây dứa chiếm ít hơn hai điểm nhạt cảm DHSs với độ dài phân tử ngắn hơn 1 kb, và promotor DHSs biểu hiện promoter xa (proximal) có xu hướng gắn với vị trí bắt đầu phiên mã TSS (transcription start site) (có >77% promotor DHSs có kích thước 1 kb). Hơn nữa, nhiều điểm nhạy cảm “intergenic DHSs” có tính đồng nhất xung quanh các yếu tố phiên mã hoặc co-regulators phiên mã (TFs/TCs) nhiều hơn các gen có chức năng khác, điều ấy chỉ ra rằng có những bối cảnh điều tiết rất phức tạp diễn ra (complex regulatory contexts) xung quanh TFs/TCs. Kết quả phân tích mô có nhiều điểm nhạy cảm ưa thích (DHSs) và gen tương ứng, có 839 và 888 gen thay đổi thích hợp tại đỉnh l1a xanh vào lúa 2 giờ và 10 giờ. (AcG2 và AcG10). Hơn nữa, AcG2-specific, AcG10-specific và DHSs tiếp cận phổ quát được phân tích từ các điểm nhạy cảm (DHSs) ưa thích trong quang hợp chu trình CAM. Các hệ thống điều tiết ấy cho thấy được những điều tiết mang tính chất cơ học (dynamic regulations) với các nguyên tố mang tính chất “multiple cis-regulatory elements” diễn ra đối với các gen biểu hiện có điều kiện (preferentially expressed genes) trong mô quang hợp. Đáng chú ý là, những binding motifs của nhiều phân tử TFs có tính chất theo chu trình đều được xác định trong những DHSs này của những gen chủ chốt (CAM genes), làm nên một điều tiết có tính chất đồng hồ sinh học (circadian regulation) trong chu trình CAM kết hợp trong biểu hiện ban đêm.

Kết quả này cung cấp cho chúng ta một bức tranh điều tiết của chromatin trong lá dứa trong ban ngày và ban đêm. Kết quả sẽ cung cấp thông tin quan trọng hỗ trợ việc giả mã đồng hồ sinh học điều tiết ra làm sao trong chu trình quang hợp CAM.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37470036/

Sự phân bố trong toàn hệ gen của những DHSs và chú thích di truyền tại những điểm ấy. 

(A). Các phần của lá dứa. Vùng quang hợp (đỉnh màu xanh) và vùng không quang hợp (gốc lá màu trắng). 

(B). Sự phân bố trên hệ gen của DHSs trên 25 nhiễm sắc thể. Vòng tròn tượng trưng cho nhiễm sắc thể, mật độ gen và sự phong phú của các điểm nhạy cảm DHS trong 4 mô lá dứa (vàng cam là AcW10, xanh dương là AcW2, xanh lá cây là AcG10, màu tím là AcG2). 

(C). Sự phân bố của DHSs tương ứng với vùng khác nhau mang gen. 

(D). Phân bố các gen có số điểm nhạy cảm khác nhau DHSs trên 4 mô lá dứa. 

(E). Phân bố các gen có chiều dài điểm DHSs trên 4 mô lá dứa.