Tuần tin khoa học 868 (04-10/12/2023)

Chu trình TORC tương tác với hệ thống “calcium sensor kinase” để điều tiết mức nhạy cảm của potassium trong cây Arabidopsis

Nguồn: Kun-Lun Li, Hui Xue, Ren-Jie Tang, and Sheng Luan. 2023. TORC pathway intersects with a calcium sensor kinase network to regulate potassium sensing in Arabidopsis. PNAS November 15, 2023; 120 (47) e2316011120

Tình trạng nghèo dinh dưỡng đất thường là hạn chế chính cho cây tăng trưởng, làm cho việc sử dụng phân bón trở nên cần thiết trong sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, bón quá nhiều phân vừa mất nhiều tiền, vừa gây ô nhiễm môi trường. Hiểu thế nào cây có thể phản ứng và thích nghi với chuyển đổi trạng thái dinh dưỡng là điều vô cùng cần thiết cho nổ lực lai tạo giống mới, gia tăng hiệu quả sử dụng dinh dưỡng và giảm thiểu bón phân. Công trình nghiên cứu mô tả một cơ chế cho phép cây điều chỉnh tăng trưởng trên cơ sở tình trạng K ở bên ngoài. “High-K” (kali cao) làm tăng hoạt đích đến của chu trình phức hợp rapamycin (viết tắt là TORC) mà chu trình này lần lượt làm bất hoạt “low-K-responsive calcineurin B” (một protein có tên CBL) trong hệ thống tương tác CBL với kinases (CIPK). Trong khi đó chuyển trạng thái thiếu K thành hệ thống CBL–CIPK làm ngăn chận được chu trình TORC, chuyển đổi cơ bản giữa khả năng thích ứng và tăng trưởng tích cực trong cây tùy theo khả năng cung cấp dinh dưỡng K.

Potassium (K) là đại dưỡng chất cần thiết cho cây tăng trưởng, khả năng K hữu dụng trong đất thay đổi rất rộng, rất cần cây có khả năng phản ứng và thích nghi với trạng thái thay đổi dinh dưỡng K. Mức độ tăng trưởng của cây tương quan chặt với tình trạng K trong môi trường, và sự tăng trưởng lệ thuộc vào K như vậy được diễn ra trên phân tử “nutrient sensor” có đặc điểm bảo tồn rất cao, đích đến của rapamycin (TOR: target of rapamycin). Kết quả nghiên cứu sâu về chu trình của phức TOR (TORC) với một hệ thống tín hiệu khi cây phản ứng với K thấp bao gồm: calcineurin B-like proteins (CBL) và CBL-interacting kinases (CIPK). Dưới điều kiện K cao, chu trình phức TORC bị tăng hoạt nhanh chóng và ngắt chu trình CBL–CIPK low-K response thông qua protein điều tiết của tương tác TOR (RAPTOR)–CIPK. Trái lại, trạng thái thiếu K làm tăng hoạt CBL–CIPK modules mà mô đun này lần lượt ức chế TORC bằng phosphoryl hóa RAPTOR, dẫn đến kết quả là phân ly rồi bất hoạt TORC. Sự điều tiết hỗ tương giữa TORC và CBL–CIPK modules điều phối được phản ứng của cây và thích nghi với tình trạng dinh dưỡng K trong môi trường đất trồng.

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2316011120

Glycemic Index của gạo đồ loại lúa indica và japonica trồng tại Italy & ảnh hưởng của GI trên tiến trình đồ gạo

Nguồn: Mariangela Rondanelli, Riccardo Anselmo Ferrario, Gaetan Claude Barrile, Davide Guido, Clara Gasparri, Cinzia Ferraris, Alessandro Cavioni, Francesca Mansueto, Giuseppe Mazzola, Zaira Patelli, Gabriella Peroni, Martina Pirola, Claudia Razza, Alice Tartara, Simone Perna. 2023. The Glycemic Index of Indica and Japonica Subspecies Parboiled Rice Grown in Italy and the Effect on Glycemic Index of Different Parboiling Processes. J Med Food; 2023 Jun; 26(6):422-427. doi: 10.1089/jmf.2022.0120. 

Gạo thường được xem là nguồn cung cấp tinh bột có giá trị glycemic index (GI), nhưng rất nhiều nghiên cứu cho thấy gạo đồ (parboiling) làm giảm được GI như vậy. Chưa có nghiên cứu giá trị GI của gạo đồ thuộc loại hình indica và japonica parboiled tại Italy. Mục đích nghiên cứu nhằm (1) đánh giá GI của nhiều giống lúa khác nhau ở trạng thái gạo đồ (ribe, white và brown long B, basmati, black, red, roma, và arborio); (2) đánh giá GI của cùng một giống lúa bị xử lý bằng nhiều tiến trình đồ gạo khác nhau (parboiled ribe và parboiled long B với 2 phương pháp: pp flora và pp truyền thống); (3) đánh giá GI hai phụ phẩm (by-products) của gạo đồ: white cake và brown rice cake. Thành viên gồm 10 người khỏe mạnh (20-30 tuổi, chỉ số body mass là 18.5-25 kg/m²). Thành phần quan trọng và GI được xác định bằng phương pháp chuẩn quốc tế. Tất cả gạo đồ được đánh giá là low-GI (brown long B 48.1 ± 6.4 bằng pp flora, ribe 52.0 ± 1.8 GI bằng pp flora, black rice 52.3 ± 7.6 bằng pp flora, long B 52.4 ± 3.9 bằng pp flora, long B 53.4 ± 5.1 bằng pp truyền thống, ribe 54.4 ± 4.3 GI bằng pp truyền thống, Roma 54.4 ± 7.9 GI bằng pp flora, và arborio 54.4 ± 7.9 GI bằng pp flora), ngoại trừ lúa đỏ (red rice) có GI trung bình (56.1 ± 7.0 GI), và cả 2 mẫu classic cake và brown cakes đều có GI cao (theo thứ tự, 83.3 ± 8.9 GI và 102.2 ± 5.5 GI).  Gạo đồ có GI thấp và trở nên thuận lợi cho ăn uống đối với quản lý ăn kiêng của người bệnh rối loạn chuyển hóa và bệnh celiac (metabolic disorders and celiac disease).

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37262189/

GWAS và kết quả phân tích haplotype phân lập được một gen mới điều khiển chiều dài chồi thân lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Tifeng Yang, Jingfang Dong,  Junliang Zhao,  Longting Zhang,  Lian Zhou,  Wu Yang,  Yamei Ma,  Jian Wang,  Hua Fu,  Jiansong Chen,  Wenhui Li,  Haifei Hu,  Xianya Jiang,  Ziqiang Liu,   Bin Liu &  Shaohong Zhang. 2023. Genome-wide association mapping combined with gene-based haplotype analysis identify a novel gene for shoot length in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics; 20 November 2023; Vol. 136, Article 251

Bản đồ GWAS (genome-wide association mapping) xác định được một QTL điều khiển chiều dài chồi thân qua nhiều điểm thí nghiệm khác nhau. Đó là gen LOC_Os01g68500, đã được phân lập lần đầu tiên thông qua phương pháp phân tích “gene-based haplotype”, phân tích biểu hiện gen và phương pháp knockout có tính chất transgenic.

Cường lực cây mạ rất mạnh là mục tiêu nhắm đến của các nhà chọn giống lúa trong kỹ thuật canh tác sạ thẳng. Chiều dài chồi thân SL (shoot length) là một trong những tính trạng quan trọng gắn với cường lực mạ được định tính bởi kết quả tăng trưởng nhanh của cây mạ, đâm chồi thân khỏe. Do vậy, người ta tến hành dò tìm các gen đích đối với tính trạng SL, thực hiện lai tạo giống lúa trên cơ sở phân tử để phát triển được những giống lúa mới phục vụ sạ thẳng. Tuy nhiên, có quá ít QTLs điều khiển SL được “fine mapped” hoặc được dòng hóa thành công cho đến nay. Kết quả nghiên cứu này, người ta tiến hành chạy GWAS đối với tính trạng SL trên tập đoàn giống lúa đa dạng bao gồm 391 mẫu giống, trong 2 năm, sử dụng những kiểu hình bởi các phương pháp canh tác khác nhau tùy theo kỹ thuật sản xuất lúa. Có tất cả 24 QTLs điều khiển SL được phân lập.

Hình: GWAS của tính trạng SL. (a–c) Manhattan plots trên 12 nhiễm sắc thể, với GST (a), GSF (b) và DST (c).

Trong số QTL đó, một QTL mới là qSL-1f trên nhiễm sắc thể 1 được xem ổn định nhất trong 3 phương pháp canh tác khác nhau của tập đoàn giống lúa khảo nghiệm và thuộc loại hình lúa indica. Kết quả phân tích “gene-based haplotype” đối với các gen được chú thích (annotated genes) trong vùng giả định qSL-1f, được minh chứng bằng kết quả biểu hiện gen, bằng thí nghiệm knockout transgenic, cho thấy LOC_Os01g68500 (i.e., Os01g0913100 in RAP-DB) được xác định là gen đích của tính trạng SL, có một biến thể “single-base” (C chuyển đổi A) trong vùng mật mã di truyền CDS, làm cho sự khác biệt có ý nghĩa trong loại hình tính trạng SL của cây lúa. Gen LOC_Os01g68500 mã hóa protein DUF538 (Domain of unknown function) mang protein. Kết quả nghiên cứu gen chức năng mã hóa DUF538 protein trong tăng trưởng cây mạ được xem là báo cáo đầu tiên theo nghiên cứu này. Kết quả cung cấp một manh mối mới trong khai thác cơ chế phân tử di truyền điều tiết kiểu hình SL, cung cấp nguồn gen triển vọng phục vụ chiến lược “molecular breeding” trong cây lúa.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04497-6

Phân lập alen dt3 và lập bản đồ di truyền của gen điều khiển tính trạng tăng trưởng thân bán xác định của đậu nành (semideterminate stem growth habit)

Nguồn: Chancelor B. Clark, Dajian Zhang, Weidong Wang, Jianxin Ma. 2023. Identifcation and mapping of a recessive allele, dt3, specifying semideterminate stem growth habit in soybean. Theoretical and Applied Genetics;  December (2023) 136:258

Locus dt3, điều khiển tính trạng “semideterminancy” (bán xác định của đậu nành, được người ta tìm thấy trong kết quả nghiên cứu phối hợp GWAS với bản đồ di truyền liên kết (linkage mapping) trong quần thể “multiple distinct biparental”.

Tập tính tăng trưởng thân là  tính trạng nông học quyết định kiến trúc tán thân góp phần rất lớn đến năng suất và thích ứng với ngoại cảnh. Trong cây đậu nành, tập tính tăng trưởng thân được xếp các các kiểu hình indeterminate (không xác định), semideterminate (bán xác định), hoặc determinate (xác định), trong đó, tính trạng semideterminacy thường được xem như tính trạng yếu tố của cách mạnh xanh đối với mễ cốc, làm gia tăng đáng kể năng suất. Người ta đã chứng minh “semideterminacy” trong đậu nành được điều khiển bởi tương tác di truyền có bản chất epistatic (tương tác không alen) giữa hai loci, Dt1 trên nhiễm sắc thể 19 và Dt2 trên nhiễm sắc thể 18, với cái sau như một regulator biểu hiện âm tính với cái trước. Ở đây, sự khám phá locus thứ ba, Dt3, điều khiển tính trạng tăng trưởng chồi thân đậu nành, được định dạng tại vùng có kích thước phân tử ~ 196-kb trên nhiễm sắc thể 10, theo phân tích kết hợp allelic và haplotypic  của loci Dt1 và Dt2 trong bộ giống thuộc USDA soybean Germplasm Collection, kết quả của GWAS với 3 subsets của tập đoàn giống đậu nành, và kết quả của linkage mapping với 4 quần thể biparental dẫn xuất từ các cặp lai giữa một trong hai giống ưu việt, mỗi thứ có 4 giống thuộc loại hình semideterminate không có Dt2 cũng không có dt1. Bốn giống đậu nành semideterminate này là đột biến lặn (i.e., dt3/dt3) trong nền di truyền Dt1/Dt1;dt2/dt2. Vì là loại hình semideterminacy được điều khiển bởi Dt2 allele có ảnh hưởng gen đa tính trạng khá bất lợi (pleotropic effects) ví dụ như dễ nhiễm khô hạn, dt3 có thể là lý tưởng hơn để phục vụ chọn giống đậu nành semideterminate có khả năng chống chịu tốt hơn với ngoại cảnh. Kết quả này làm tăng sự hiểu biết của chúng ta về những yếu tố di truyền làm cơ sở cho tính trạng semideterminacy và có thể giúp chúng ta chính xác hơn khi thực hiện chọn giống nhờ chỉ thị phân tử để cải tiến tập tính tăng trưởng  của giống đậu nành cải tiến.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04493-w

Hình: Bản đồ vật lý và bản đồ di truyền của vùng đích Dt3. (a) Bản đồ di truyền vùng Dt3 trên cơ sở phân tích “linkage”. InDel markers ở bên trái và khoảng cách di truyền (centimorgan, cM) giữa hai markers kế cận ở bên phải. (b) Vị trí vật lý của những markers trên nhiễm sắc thể 10 theo genome tham chiếu của cây đậu nành (Wm82.a2).