Di truyền tính kháng cỏ chổi Striga hermonthica của hệ gen cây bắp nhiệt đới

Di truyền tính kháng cỏ chổi Striga hermonthica của hệ gen cây bắp nhiệt đới

Nguồn: Manje Gowda, Dan Makumbi, Biswanath Das, Christine Nyaga, Titus Kosgei, Jose Crossa, Yoseph Beyene, Osval A. Montesinos-López, Michael S. Olsen & Boddupalli M. Prasanna. 2021. Genetic dissection of Striga hermonthica (Del.) Benth. resistance via genome-wide association and genomic prediction in tropical maize germplasm. 

GWAS được áp dụng để phân tích di truyền tính kháng cỏ chổi Striga hermonthica do đa gen nằm trên nhiều vùng khác nhau của hệ gen cây bắp, có ảnh hưởng trung bình. Người ta có thể làm tăng hiệu quả chọn lọc (GA: genetic gains) bằng phương pháp chọn tính kháng cỏ Striga, nhờ giá trị dự đoán di truyền (genomic prediction).  Striga hermonthica (Del.) Benth., là cỏ dại có màu tím (purple witchweed hoặc giant witchweed), đây là vấn đề cực trọng cho canh tác bắp tại các nông hộ nhỏ thuộc vùng cận Sahara, châu Phi. Chọn tạo giống bắp kháng Striga rất phức tạp do biến thiên di truyền rất hiếm hoi, sự phức tạp của tính kháng và những thách thức về đánh giá kiểu hình. người ta tiến hành nghiên cứu này nhằm(i) đánh giá tập đoàn giống bắp rất đa dạng ở nhiệt đới để xem phản ứng với cỏ Striga trong điều kiện lây nhiễm nhân tạo ở 3 địa điểm khác nhau của Kenya; (ii) tìm kiếm QTLs liên quan đến tính kháng Striga thông qua GWAS; và (iii) đánh giá hiệu quả của phương pháp GP (genomic prediction) đối với tính kháng Striga. Bản đồ di truyền thuộc dạng association bao gồm 380 dòng bắp cận giao được đánh giá tại 3 địa điểm khác nhau, cho lây nhiễm nhân tạo cỏ chổi Striga trên ruộng, 3 lần lặp lại, đánh giá kiểu gen thông qua bộ chỉ thị SNPs  với 278.810 markers. Biến dị genotypic và GxE (genotype x environment) có ý nghĩa thống kê đối với tính trạng liên quan đến tính kháng Striga. Hệ số di truyền ước đạt giá trị trung bình (0.42) cho đến cao (0.92) đối với các tính trạng mục tiêu. GWAS cho kết quả 57 chỉ thị SNPs liên quan có ý nghĩa với tính kháng Striga và năng suất (GY) với ảnh hưởng thấp đến trung bình. Bộ gen ứng cử viên bao gồm 32 gen liên kết gần với chỉ thị SNPs có vai trò bảo vệ cây chống lại stress sinh học đã được phân lập. GP với xác minh chéo khác nhau cho thấy giá trị dự đoán các performance của dòng bắp thí nghiệm trong những môi trường canh tác khác nhau tốt hơn dự đoán performance của dòng bắp mới đối với tất cả tính trạng mục tiêu. Dự đoán thông qua môi trường có độ chính xác cao đối với tất cả tính trạng, trong khi chỉ thị SNPs trong GWAS dẫn đến kết quả làm tăng độ chính xác một chút.

Cải biên gen mã hóa amino acid cần thiết cho cây bắp

Cải biên gen mã hóa amino acid cần thiết cho cây bắp

Nguồn: Md. Mahmudul Hasan & Rima Rima. 2021. Genetic engineering to improve essential and conditionally essential amino acids in maize: transporter engineering as a reference. Transgenic Research (13 February 2021)

Con người và động vật nhai lại không thể tự tổng hợp được amino acids cần thiết (EAAs), cũng như CEAAs (conditionally essential amino acids: cần thiết có điều kiện) trong điều kiện bình thường. Do đó, sinh vật ấy cần từ nguồn thực vật. Cây bắp, một hoa màu quan trọng, có vai trò trung tâm trong chiến lược an ninh lương thực toàn cầu. Tuy nhiên, bắp thiếu rất nhiều EAAs và CEAAs. Công nghệ di truyền là giải pháp rất thành công được áp dụng để  làm giàu hàm lượng EAA trong cây bắp, bao gồm hàm lượng Lys, Trp, và Met. Tuy nhiên, các nghiên cứu trên EAAs khác vẫn còn đang rất thiếu. Công nghệ di truyền cung cấp nhiều phương pháp tiếp cận sinh học  để gia tăng hàm lượng EAA trong cây bắp, bao gồm kỹ thuật chuyển nạp gen đơn, chuyển nạp nhiều gen trong một thể cassette nhất định, cho thế hiện mạnh mẽ gen đích mã hóa những transporters giá định của amino acid, thao tác di truyền chu trình sinh tổng hợp amino acid bao gồm làm câm lặng những enzymes ức chế có tính chất phản hồi, làm biểu hiện mạnh mẽ  những enzymes chủ chốt trong chu trình ấy. Thách thức yếu cầu chúng ta một hiểu biết có chiều sâu các chu trình sinh tổng hợp và chu trình biến dưỡng từng amino acids, và tương tác của chúng  với các chu trình biến dưỡng.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s11248-021-00235-0

 

Đột biến mop1 của hệ gen cây bắp

Đột biến mop1 của hệ gen cây bắp

Nguồn: Meixia Zhao,  Jia-Chi Ku,  Beibei Liu, Diya Yang,  Liangwei Yin,  Tyshawn J. Ferrell,  Claire E. Stoll,  Wei Guo, Xinyan Zhang,  Dafang Wang,  Chung-Ju Rachel Wang, and Damon Lisch. 2021. The mop1 mutation affects the recombination landscape in maize. PNAS February 16, 2021 118 (7) e2009475118

Tái tổ hợp giai đoạn gían phân giảm nhiễm được điều tiết bởi cả hai yếu tố di truyền chính thống và di truyền biểu sinh ví dụ như hiện tượng methyl hóa phân tử  DNA. Trong cây bắp, người ta tìm thấy thể đột biến mop1 chuyển dịch methyl hóa CHH (khi đó H = A, T, hoặc C) mà sự kiện ấy lập tức gắn với các vị trí của tái tổ hợp thường gặp trên vai nhiễm sắc thể và vùng tâm động. Người ta  còn tìm thấy đột biến mop1 làm gia tăng tần suất gián phân giảm nhiễm ở trên vai nhiễm nhưng làm giảm sự giảm phân trong vùng tâm động. Cơ sở dữ liệu nghiên cứu này chứng minh rằng cho dù methyl hóa CHH hiện hữu ở mức độ thấp hơn methyl hóa CG và CHG, nhưng nó có một ảnh hưởng ngay sau đó đối với tần suất tái tổ hợp, cho thấy vai trò quan trọng của methyl hóa DNA ảnh hưởng trực tiếp đến RNA trong tái tổ hợp giảm phân của cây bắp. Sự tái tổ hợp giảm phân (meiotic recombination) là một tiến trình căn bản tạo ra kết quả đa dạng di truyền và đảm bảo sự kiện phân ly chính xác của nhiễm sắc thể tương đồng. Trong khi người ta biết rằng các yếu tố di truyền điều tiết tái tổ hợp như vậy, tương đối còn mù mờ đối với yếu tố di truyền biểu sinh (epigenetic factors), ví dụ như sự methyl hóa DNA. Trong cây bắp, người ta xem xét  ảnh hưởng của tái tổ hợp giảm phân một đột biến gen trong một hợp phần của chu trình methyl hóa DNA ảnh hưởng trực tiếp RNA (RNA-directed DNA methylation), gen Mop1 (Mediator of paramutation1), cũng như đột biến kiểu can thiệp nhỏ thuộc loại hình trans-acting thuộc chu trình sinh tổng hợp phân tử RNA, Lbl1 (Leafbladeless1). MOP1 là đặc biệt nhất khi đề cập tái tổ hợp bởi vì nó chuyên biệt cho phản ứng methyl hóa của những nguyên tố chuyển vị (transposable elements) mà chúng gắn ngay sau đó với gen hoạt động có tính chất phiên mã. Trong đột biến lặn mop1, người ta tìm thấy tái tổ hợp giảm phân bị giảm đi rất đồng đều trong vùng tâm động, nhưng tăng trong vai nhiễm rất giàu gen đích. Quan sát này được xác định bởi phân tích di truyền tế bào. Kết quả là   cho dù số lần quấn chéo không đổi, nhưng chúng xảy ra thông thường hơn trên vai nhiễm của đột biến gen mop1. Áp dụng kỹ thuật whole genome bisulfite sequencing, số liệu cho thấy có sự phân bố lại cách quấn chéo bởi sự mất đi methyl hóa CHH (H = A, T, hoặc C) trong những vùng rất gần với gen đích. Tráì lại, người ta quan sát đột biến mop1 không thay đổi đáng kể  tần suất tái tổ hợp giảm phân trong đột biến lbl1. Số liệu thí nghiệm chứng minh rằng sự methyl hóa CHH  có tác động đáng kể đến tất cả tái tổ hợp tổng thể trong hệ gen cây bắp cho dù tần suất thấy liên quan đến methyl hóa CG và CHG.

Xem: https://www.pnas.org/content/118/7/e2009475118

 

Nguyên nhân ngô phát triển hiệu quả hơn hẳn so với nhiều loại cây trồng khác

Nguyên nhân ngô phát triển hiệu quả hơn hẳn so với nhiều loại cây trồng khác

Mai Thanh Trúc theo Phys.org

Ngô cho năng suất cao hơn hẳn so với nhiều loại cây trồng khác. Giải phẫu lá đặc biệt và hình thức quang hợp đặc biệt (gọi là C4) được phát triển trong quá trình tiến hóa của nó cho phép ngô phát triển nhanh hơn đáng kể so với các cây tương tự. Do đó, ngô cần các cơ chế vận chuyển hiệu quả hơn để phân phối các photoassimilate (là một trong số các hợp chất sinh học) được tạo ra trong quá trình quang hợp.

Các nhà nghiên cứu tại HHU đã phát hiện một cơ chế tải phloem mà trước đây chưa được mô tả - đó là lớp vỏ bọc xung quanh mạch là nơi vận chuyển các hợp chất như đường hoặc axit amin. Sự phát triển của cơ chế này có thể là bước tiến hóa quyết định đối với tốc độ vận chuyển các chất nhanh hơn ở cây ngô. Nó cũng có khả năng liên quan đến quá trình quang hợp C4 hiệu quả ở cây ngô so với các cây khác chỉ sử dụng quang hợp C3 – Kết quả nghiên cứu được dẫn đầu bởi Tiến sĩ Ji Yun Kim và Giáo sư Tiến sĩ Wolf B. Frommer từ Viện Sinh lý phân tử tại HHU.

Lá thực vật có cấu trúc khác nhau ở mặt trên (mặt trước) và mặt dưới (mặt trụ) và mỗi mặt thực hiện các nhiệm vụ khác nhau. Ví dụ, ở ngô, các chất vận chuyển sucrose (SWEET) hoạt động trong các tế bào vòng bao bó mạch (bundle sheath cells) ở mặt ngoài của lá. Ở cây mô hình Arabidopsis thaliana, đường được giải phóng qua SWEET từ các tế bào nhu mô phloem được vận chuyển trực tiếp vào các tế bào đồng hành lân cận thông qua quá trình vận chuyển tích cực. Ở ngô, đường được giải phóng theo hướng phloem bởi hai tế bào vòng bao bó mạch lớn. Bề mặt lớn của tế bào vòng bao bó mạch so với nhu mô phloem cho phép tốc độ vận chuyển các chất nhanh hơn nhiều do đó ngô có thể vận chuyển đường hiệu quả hơn so với Arabidopsis.

Nghiên cứu sinh và tác giả Margaret Bezrutczyk tại HHU nhấn mạnh: "Các tế bào vòng bao bó mạch được sắp xếp thành một vòng hoa thoạt nhìn trông giống nhau. Phương pháp giải trình tự tế bào đơn lẻ mà chúng tôi đã sử dụng lần đầu tiên có thể phân biệt giữa các loại tế bào bao bó mạch khác nhau trong một lá ngô. Với công nghệ này, chúng tôi hy vọng rằng nhiều loại tế bào và đặc biệt là những tế bào bao bó mạch sẽ được phát hiện trong tương lai". Giáo sư Frommer, Viện trưởng nhấn mạnh tầm quan trọng của phát hiện này, ông nói: "Cây ngô đem lại năng suất cao do quá trình quang hợp C4 của chúng. Có thể tưởng tượng rằng năng suất của lúa hoặc các cây trồng khác có thể được tăng lên khi chuyển nạp cơ chế này từ ngô sang các cây trồng khác".