Tuần tin khoa học 861 (16-22/10/2023)

Cơ chế phân tử và cải tiến di truyền tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa

Nguồn: Hong Lu, Fei Wang, Yan Wang, Rongbin Lin, Zhiye Wang, Chuanzao Mao. 2023. Molecular mechanisms and genetic improvement of low-phosphorus tolerance in rice. Plant Cell Environ.; 2023 Apr; 46(4):1104-1119. doi: 10.1111/pce.14457. 

Tổng quan: Phosphorus (P) là đại dưỡng chất macronutrient cần thiết cho cây tăng trưởng và phát dục. Orthophosphate (Pi), dạng P ưa thích để cây hấp thu, rất dễ bị cố định trong đất, làm cho nó không hữu dụng để cây hấp thu. Nguồn tài nguyên khoáng đá phosphate hạn chế, hiệu quả sử dụng phosphate thấp và nhu cầu cao của sản xuất nông nghiệp xanh làm cho phân lân trở nên quan trọng, phải làm rõ cơ chế phân tử về phản ứng cây lúa với thiếu lân và cải tiến hiệu quả phosphate của cây trồng nói chung. Hơn 20 năm qua, tiến bộ vĩ đại trong lĩnh vực này đã và đang được hiểu trong những cơ chế điều tiết di truyền của phản ứng cây đói lân (P starvation response). Ở đây, tác giả tổng quan một cách hệ thống nghiên cứu hiện nay về cơ chế hấp thu  Pi vào cây lúa, vận chuyển và phân bố lân từ vùng rễ lúa (rhizosphere) đến chối thân; sự phân bố lại Pi và sử dụng lại trong giai đoạn cây lúa tăng trưởng và phát dục; những cơ chế phân tử của cộng sinh “arbuscular mycorrhizal” trong cây l1ua như thế nào (Oryza sativa L.) khi cây lúa thiếu lân. Bên cạnh đó, tác giả thảo luận nhiều chiến lược đối với hiệu quả sử dụng P và năng suất cây lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36208118/

GWAS giải thích tính trạng phẩm chất tinh bột của giống lúa địa phương Thái Lan

Nguồn: Parama Praphasanobol, Putut Rakhmad Purnama, Supaporn Junbuathong, Somsong Chotechuen, Peerapon Moung-Ngam, Waraluk Kasettranan, Chanita Paliyavuth, Luca Comai, Monnat Pongpanich, Teerapong Buaboocha, Supachitra Chadchawan. 2023. Genome-Wide Association Study of Starch Properties in Local Thai Rice. Plants (Basel); 2023 Sep 17; 12(18):3290. doi: 10.3390/plants12183290.

Lúa gạo (Oryza sativa L.) là nguồn năng lượng chính của con người và là thực phẩm căn bản có ý nghĩa cao về văn hóa đối với nhiều dân tộc trên thế giới này. Lúa gạo có phẩm chất “tinh bột kháng” (resistant starch: RS) vô cùng có ích cho sức khỏe con người, nó có thể làm giảm mức rủi ro bị bệnh tật, đặc biệt bệnh tiểu đường type II. Xác định được loci ảnh hưởng đến phẩm chất tinh bột sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho chọn tạo giống lúa có phẩm chất tinh bột tốt và hỗ trợ sức khỏe từ lúa gạo. Trong phân tích GWAS (genome-wide association study), người ta sử dụng tập đoàn giống lúa Thái bao gồm 230 giống địa phương nhằm phân lập được các loci ứng cử viên ảnh hưởng đến phẩm chất tinh bột. Hàm lượng amylose (apparent amylose content: AAC) trong các giống lúa thử nghiệm này biến thiên từ 7,04 đến 33,06%, giá trị AAC tương quan thuận với giá trị RS (R² = 0,94) và tương quan nghịch với giá trị RAG (rapidly available glucose) (R² = -0.73). Ba loci tương ứng với phẩm chất tinh bột được tìm thấy trên nhiễm sắc thể 1, 6, và 11. Trên nhiễm sắc thể 6, chỉ thị phân tử SNP có ý nghĩa nhất tương ứng với gen LOC_Os06g04200 mã hóa men GBSSI (granule-bound starch synthase I) hoặc men starch synthase. Hai loci mới liên kết với tính trạng tinh bột là LOC_Os01g65810 và LOC_Os11g01580, chúng mã hóa một protein chưa biết rõ và một sodium/calcium exchanger, theo thứ tự. Những chỉ thị phân tử gắn kết với GBSSI và LOC_Os11g01580 được người ta xét nghiệm lại trong 2 sets có tính độc lập của quần thể giống lúa nhằm khẳng định ảnh hưởng của chúng với những tính trạng phẩm chất tinh bột. Xác định các gen đích gắn với những tính trạng tinh bột sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn cơ chế phân tử ảnh hưởng đ61n phẩm chất gạo và có thể hữu dụng trong sàng lọc giống lúa có phẩm chất tinh bột cải tiến.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37765454/

Tác động của gen GmTSA và GmALS giúp đậu nành chống chịu mặn

Minghao Sun, Siming Wei, Jiarui Liu, Luyao Wang, Yu Zhang, Limin Hu, Jingxi Piao, Zhao Liang, Hongwei Jiang, Dawei Xin, Ying Zhao, Qingshan Chen, Christine H. Foyer, Chunyan Liu & Zhaoming Qi. 2023. The impact of GmTSA and GmALS on soybean salt tolerance: uncovering the molecular landscape of amino acid and secondary metabolism pathways. Theoretical and Applied Genetics October 2023; vol. 136, Article number: 212

GmTSA và GmALS được sàng lọc di truyền đối với stess mặn của đậu nành và khai thác những chu trình biến dưỡng thứ cấp các amino acid.

Đậu nành (Glycine max L.) là cây cho dầu thực vật và cho protein thực vật quan trọng trên thế giới. Mặn ảnh hưởng đáng kể đối với  tăng trưởng cây đậu nành. Ở đây, tác giả tiến hành nghiên cứu trên quần thể con lai hồi giao đậu nành CSSL (chromosome segment substitution lines) nhằm xác định dòng con lai có khả năng chống chịu cao với stress mặn. Nhìn chung, có tất cả 24 quantitative trait loci (QTLs) định vị trên bảy nhiễm sắc thể có liên quan mật thiết đến tính chống chịu mặn. CSSL_R71 đã được chọn để phân tích sâu. Mặc dù số gen đích được biểu hiện khác biệt nhau trong vùng CSSL_R71 khi phản ứng với mặn không có ý nghĩa thống kê, nhưng mức độ biểu hiện transcript của gen đích phản ứng với mặn có tính chất kinh điển (classical salt-response genes), bao gồm lộ trình rất nhạy cảm với mặn. Hơn nữa, tính chống chịu mặn trong vùng CSSL_R71 được gắn liền với những đổi thay của amino acid và biến dưỡng lipid. Đặc biệt, thay đổi mức độ của p-coumaric acid, shikimic acid, và pyrrole-2-carboxylic acid song hành với chống chịu mặn của CSSL_R71. Mười một gen DEGs (differentially expressed genes) liên quan đến amino acid và cơ chế biến dưởng thứ cấp (secondary metabolism) được người ta xác định như nhửng gen ứng cử viên trong đoạn phân tử “substituted chromosome fragment”. Sáu gen trong số đó biểu hiện tính chất khác biệt trong chuỗi trình tự mật mả di truyền giữa những giống bố mẹ. Điều quan trọng là, biểu hiện mạnh mẽ cyu3a gen GmTSA (Glyma.03G158400, tryptophan synthase) làm tăng cường đáng kể tính trạng chống chịu mặn của cây đậu nành tại vùng rễ tơ (soybean hairy roots), trong ki đó, sự biểu hiện mạnh mẽ gen GmALS (Glyma.13G241000, acetolactate synthase) làm suy giảm chống chịu mặn. Hai chỉ thị phân tử KASP dẫn xuất từ gen đích GmALS được sử dụng trong đánh giá kiểu gen các dòng đậu nành chống chịu mặn và dòng nhiễm mặn trong quần thể con lai CSSL. Đột biến có tính chất non-synonymous đã được gắn trực tiếp với tính trạng chống chịu mặn. Như vậy, cơ sở dữ liệu này là minh chứng của thay đổi amino acid và cơ chế biến dưỡng thứ cấp trở thành khả năng giúp cây đậu nành chống chịu mặn tốt hơn.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04461-4

Jasmonic acid ngoại sinh làm giảm khả năng chống đạo ôn cây lúa bởi LOX3 bị knockout

Nguồn: Shunyu Su, Ping Tang, Rubin Zuo, Hongfeng Chen, Tianqi Zhao, Shumin Yang, Jing Yang. 2023. Exogenous Jasmonic Acid Alleviates Blast Resistance Reduction Caused by LOX3 Knockout in Rice. Biomolecules; 2023 Jul 31; 13(8):1197. doi: 10.3390/biom13081197.

Lipoxygenase 3 (LOX3) là men lipid peroxidase được tìm thấy trong phôi hạt lúa mà chúng có ảnh hưởng nhất định đến phẩm chất hạt. Đặc biệt, sự mất đoạn của gen LOX3 đã được người ta chứng minh là cải tiến được phẩm chất hạt (seed quality) nhưng làm giảm tính kháng bệnh đạo ôn và giảm chống chịu khô hạn. Muống nghiên cứu ảnh hưởng đối kháng này, người ta tiến hành knockout kiến trúc gen LOX3 (ΔLox3) trong cây lúa (Oryza sativa L.). Tính kháng đạo ôn và mức độ biểu hiện phân tử transcript của những gen đích trong cây lúa ΔLox3 và ảnh hưởng của jasmonic acid (JA) ngoại sinh trên tính kháng này và mức độ phiên mã của các gen trong cây lúa của cây đột biến Magnaporthe oryzae-infected ΔLox3 đã được làm sáng tỏ. Kết quả cho thấy cây lúa ΔLox3 biểu hiện kiểu hình bình thường, với mức độ cao của methyl-linolenate và reactive oxygen species (ROS), những gen ấy có trong ba chu trình KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) góp phần vào phẩm chất hạt thóc. Cây lúa M. oryzae-infected ΔLox3 biểu hiện triệu chứng cháy lá nghiêm trọng với sự suy giảm hệ thống tự vệ của cây nhưng lại tăng sự chết tế bào bởi ROS. Các gen có trong bảy chu trình KEGG pathways đóng góp tích cực vào phẩm chất hạt lúa. Nghiệm thức xử lý JA ngoại sinh đã làm giảm triệu chứng cháy lá trong cây lúa infected ΔLox3 bởi cản trở sự phát triển sợi hyphal, ức chế sự chết tế bào bởi ROS, và gia tăng phản ứng tự bảo vệ của cây lúa. Các gen có trong chu trình 12 KEGG pathways đóng góp tích cực vào phẩm chất hạt. Kết quả chứng minh rằng LOX3 có vai trò quan trọng trong tăng trưởng cây lúa và tự vệ cây, đột biến knockout của nó cải tiến phẩm chất lúa. Hormone JA ngoại sinh cung cấp phương tiện để bù vào sự suy giảm phản ứng tự vệ của cây  của dòng lúa đột biến LOX3 knockout, gợi ra khả năng áp dụng mới trong sản xuất nông nghiệp.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37627262/

Các gen DEGs làm giàu khả năng truyền tín hiệu của hormone thực vật và sinh tổng hợp brassinosteroid trong so sánh giữa ΔLox3 vs. WT, so sánh M. oryzae-infected ΔLox3 vs. M. oryzae-infected WT, so sánh JA + M. oryzae-infected ΔLox3 vs. JA + M. oryzae-infected WT.