Tuần tin khoa học 864 (06-12/11/2023)

Chỉnh sửa gen sao cho giữ cân bằng giữa năng suất và mức kháng bệnh của cây lúa

Nguồn: Yiwen Deng, Zuhua He. 2023. Genome editing enables defense-yield balance in rice. Stress Biol.; 2023 Jul 7; 3(1):22. doi: 10.1007/s44154-023-00102-4.

Abstract

Tổng quan này phát họa một nghiên cứu quan trọng của Sha et al. (Nature 2023), tập trung vào kỹ thuật dòng hóa gen RBL1 của cây lúa, nó gắn liền với đột biến bắt chước vế bệnh đạo ôn (LMM). Gen RBL1 mã hóa protein có tên CDP-DAG:  cytidine diphosphate diacylglycerol synthase đóng vai trò quan trọng trong điều tiết sự chết tế bào và tính miễn dịch nhờ kiểm soát được sinh tổng hợp phosphatidylinositol. Cây đột biến rbl1 biểu hiện bản chất tự miễn dịch (autoimmunity) với tính kháng nhiều pathogen (multi-pathogen resistance) nhưng năng suất trái lại rất thấp. Sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen, nhóm nghiên cứu đã thành công tạo ra một alen tuyệt vời của RBL1 không những phục hồi được năng suất mà còn cho tính kháng phổ rộng với cả bệnh bạc lá lúa và bệnh đạo ôn. Kết quả chứng minh rằng khả năng sử dụng chỉnh sửa gen (hệ gen) nhằm tăng cường năng suất và tính kháng bệnh hại lúa là khả thi.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37676404/

Biểu hiện mạnh mẽ protein ferredoxin đối với hiệu suất quang hợp và tích lũy carbohydrates của lan Hồ Điệp Phalaenopsis

Nguồn: Hsiang Chang, Yen-Ting Chen, Hsiang-En Huang & Mang-Jye Ger. 2023. Overexpressing plant ferredoxin-like protein enhances photosynthetic efficiency and carbohydrates accumulation in Phalaenopsis. Transgenic Research (2023); Publishe 18 October 2023

Quang hợp theo chu trình CAM (Crassulacean acid metabolism) là một trong ba mô hình của sự đồng hóa carbon dioxide với hiệu quả sử dụng nước tốt hơn hẳn và hiệu quả quang hợp chậm hơn trong sinh lý quang tổng hợp thực vật. Những nghiên cứu trước đây cho thấy gen của cây ớt ngọt PFLP (ferredoxin-like protein) biểu hiện tính tương đồng cao với họ gen ferredoxin-1(Fd-1) chúng thuộc về quang hợp kiểu Fd, bao gồm “photosystem I”. Người ta suy đoán rằng sự biểu hiện mạnh mẽ pflp trong cây transgenic có thể làm tăng cường hiệu quả quang hợp thông qua ETC (electron transport chain: chuỗi vận chuyển electron). Muốn biết được chức năng của PFLP trong hiệu suất quang hợp, người ta tạo ra cây phong lan hồ điệp “pflp transgenic Phalaenopsis”, cây có chu trình CAM, để phân tích chỉ thị phân tử liên quan đến quang hợp. Cây hồ điệp transgenic biểu hiện gấp 1,2 lần  mức độ vận chuyển electron so với cây nguyên thủy (wild type: WT), và mức độ đồng hóa CO₂ cao hơn 1,6 và 1,5 lần ở thời điểm 4 giờ chiều và 10 giờ chiều, theo thứ tự. Hoạt tính enzyme “phosphoenolpyruvate carboxylase” (PEPC) tăng gấp 5,9 lầntrong Phase III, và hoạt tính “NAD⁺-linked malic enzyme” (NAD⁺-ME) tăng gấp 1,4 lần trong Phase IV của cây hồ điệp transgenic. Sản phẩm quang hợp được phân tích trong cây transgenic và cây WT. Đường hòa tan như glucose, fructose, và sucrose tăng có ý nghĩa 1,2, 1,8, và 1,3 lần trong cây transgenic. Hạt tinh bột tích tụ gấp 1,4 lần trong cây hồ điệp transgenic so với cây WT. Kết quả cho thấy sự biểu hiện mạnh mẽ gen pflp trong cây transgenic làm tăng hàm lượng carbohydrates thông qua sự tăng cường dòng vận chuyển electron trong suốt tiến trình quang hợp. Đây là minh chứng đầu tiên của chức năng PFLP trong thực vật CAM. Như vậy, gen pflp là một gen có khả năng ứng dụng tốt trong nông nghiệp để làm tăng cường chuỗi vận chuyển electron một cách hiệu quả trong quang tổng hợp.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-023-00370-w

Minh chứng và chọn gen tham chiếu trong cây khoai lang kháng bệnh virus

Nguồn: Guangyan Li, Xiaohui Sun, Xiaoping Zhu, Bin Wu, Hao Hong, Zhimei Xin, Xiangqi Xin, Jiejun Peng, Shanshan Jiang. 2023. Selection and Validation of Reference Genes in Virus-Infected Sweet Potato Plants. Genes (Basel); 2023 Jul 19; 14(7):1477. doi: 10.3390/genes14071477.

Kỹ thuật quantitative real-time PCR (qRT-PCR) trong cây khoai lang yêu cầu phải chuẩn hóa tư liệu chính xác; tuy nhiên, chưa có đủ số gen tham chiếu một cách hợp lý để phân tích biểu hiện gen. Người ta xem xét biến thiên di truyền trong biểu hiện của tám gen tham chiếu ứng cử viên (candidate reference genes) ở lá khoai lang và mô rễ (tám mẫu có virus xâm nhiễm và tám mẫu không có virus xâm nhiễm). Kết hợp phân tích đồng thời với phần mềm geNorm, NormFinder, và Best-Keeper cho thấy sự xâm nhiễm của virus khác nhau và các mô nguồn gốc ảnh hưởng đến mức độ biểu hiện các gen này. Kết quả đánh giá của ba phần mềm nói trên, “adenosine diphosphate-ribosylation factor” dều thích hợp cho lá khoai lang nhiễm virus và không nhiễm virus. Các protein Cyclophilin và ubiquitin thích hợp cho lá khoai lang không nhiễm virus. Phospholipase D1 alpha thích hợp cho lá khoai lang nhiễm virus. Actin thích hợp cho rễ khoai lang không nhiễm virus. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase thích hợp cho rễ khoai lang nhiễm virus. Kết quả nghiên cứu cung cấp nhiều gen tham chiếu tương ứng cho thâm cứu mẫu lá và rễ khoai lang có virus xâm nhiễm.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37510381/

Hình: Biểu diễn đồ họa của cơ sở dữ liệu “các gen tham chiếu ứng cử viên”. (A) Biểu hiện của “candidate reference genes” trong lá khoai lang bệnh. (B) Biểu hiện của “candidate reference genes” tại rễ bệnh. Mô phỏng toán “univariate analysis of variance” chỉ ra mức độ ý nghĩa thống kê với chữ đính kèm. Tám “candidate reference genes” là adenosine diphosphate-ribosylation factor (ARF), glyceraldehyde−3−phosphate dehydrogenase (GAP), phospholipase D1 alpha (PLD), Ubiquitin (UBI), actin (ACT), 18S ribosomal RNA (18S), alpha tubulin (ATUB), và cyclophilin (CYP).

“Fine mapping” gen ứng cử viên phục hồi phấn hoa, kiểu C, bất dục đực tế bào chất của cây bắp (Zea mays L.)

Nguồn: Peng Zhang, Zhuofan Zhao, Mingmin Zheng, Yongming Liu, Qunkai Niu, Xiaowei Liu, Ziwen Shi, Hongyang Yi, Tao Yu, Tingzhao Rong & Moju Cao. 2023. Fine mapping and candidate gene analysis of a novel fertility restorer gene for C-type cytoplasmic male sterility in maize (Zea mays L.). Theoretical and Applied Genetics November 2023; vol. 136, Article number: 234

Một gen phục hồi phấn hóa mới, rất mạnh là Rf12 thuộc kiểu C, bất dục đực tế bào chất của cây bắp được tiến hành “fine-mapped” trên nhiễm sắc thể 2. Gen Zm00001d007531 là ứng cử viên tốt nhất được dự đoán là mã hóa protein p-type PPR.

Sự thiếu gen phục hồi phấn hóa mạnh mẽ của cây bắp CMS-C hạn chế rất lớn công nghệ ứng dụng hạt lai đại trà. Do đó, người ta tiến hành dòng hóa (cloning) gen phục hồi phấn hoa mới của bắp loại hình bất dục đực CMS-C. Theo đó, một dòng rất mạnh có khả năng phục hồi phấn hoa ZH91 của loại hình bắp CMS-C được người ta tìm thấy. Gen phục hồi phấn hóa mới này có tên là Rf12 trong giống bắp ZH91 đã được người ta làm bản đồ di truyền trong quãng phân tử 146 kb độ lớn vật lý, trên nhiễm sắc thể 2. Sử dụng phương pháp giải trình tự thế hệ Ba có tên “third-generation high-throughput sequencing” (viết tắt ONT), trình tự DNA toàn bộ hệ gen của giống bắp ZH91 được thu thập, với thông tin “annotation” (diễn dịch di truyền) tích hợp trong hệ gen tham chiếu B73_RefGen_v4 và B73_RefGen_v5, bốn gen ứng cử viên được người ta dự đoán trong ZH91 ở vùng lập bản đồ di truyền. Sau đó, người ta sử dụng kỹ thuật “gene cloning”, “stranded specific RNA sequencing”, “phân tích qRT-PCR” và kỹ thuật định vị có tính chất “subcellular”, gen Zm00001d007531 được phân lập thành công như một gen ứng cử viên mong muốn nhất của gen Rf12. Zm00001d007531 mã hóa protein tên là p-type PPR có tất cả 19 PPR motifs và đích đến tại ty thể bộ và lục lạp. Giải trình tự dây đơn RNA (stranded specific RNA sequencing) và phân tích qRT-PCR cho thấy sự biểu hiện của Zm00001d007531 giữ những bao phấn của dòng NILs (near-isogenic lines) C478^Rf12Rf12 và C478^rf12rf12 khác biệt có ý nghĩa về giai đoạn tế bào mẹ hạt phấn (pollen mother cell stage). Kết quả so sánh chuỗi trình tự tham chiếu (sequence alignment) đối với gen Zm00001d007531 trong 60 vật liệu giống bắp khẳng định rằng mười hai chỉ thị SNPs p73 vùng mật mã di truyền (CDS) của Zm00001d007531 Liên kết rắt chặt chẽ với tính trạng hữu thụ. Việc tím thấy nguồn di truyền mới có tính chất phục hồi phấn hóa mạnh mẽ của ZH91 đối với loại hình bất dục đực kiểu CMS-C có thể ứng dụng rộng rải dòng bắp CMS-C phục vụ sản xuất hạt bắp lai, việc xác định gen ứng cử viên Zm00001d007531 có thể thúc đẩy tiến trình hồi giao gen Rf12 phục hồi phấn hoa loại hình CMS-C.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04480-1

Sản xuất hạt bắp lai.