Chiến lược liên quan đến nước-phân bón hướng đến việc tăng năng suất ngô và hiệu quả sử dụng chúng

 Chiến lược liên quan đến nước-phân bón hướng đến việc tăng năng suất ngô và hiệu quả sử dụng chúng

Sơ đồ mô hình canh tác, vị trí tương đối của băng nhỏ giọt và vị trí lấy mẫu. Nguồn: Agricultural Water Management (2023). DOI: 10.1016/j.agwat.2023.108566.

 

Sự khan hiếm nước và đất có độ phì thấp là những nhân tố chính ảnh hưởng đến năng suất cây trồng ở vùng bán khô hạn. Mặt khác, khi nguồn nước tưới dư thừa và bón quá nhiều phân không chỉ làm giảm sức sản xuất nước và hiệu quả sử dụng đạm, mà còn phát sinh một loạt vấn đề về môi trường và ảnh hưởng đến cấu trúc, chức năng của hệ sinh thái đất nông nghiệp.

 

Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng phân bón hữu cơ và phân bón sinh học mang lại đáp ứng nông học bền vững cho năng suất cây trồng bằng cách cải thiện chất lượng đất. Tuy nhiên, cơ chế trực tiếp cũng như tác động kết hợp của các biện pháp bón phân kết hợp tưới nước đối với sự phát triển của ngô vẫn chưa được hiểu đầy đủ.

 

Một nhóm nghiên cứu do giáo sư Zhang Tonghui từ Viện Tài nguyên và Môi trường Sinh thái Tây Bắc thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc dẫn đầu đã đề xuất một chiến lược thân thiện với môi trường nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và năng suất cây trồng một cách tổng hợp ở Horqin Sandy Land. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Agricultural Water Management.

 

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu tác động của các phương pháp xử lý nước và phân bón khác nhau đối với sự phát triển của ngô, năng suất cây trồng, sức sản xuất nước, hiệu quả sử dụng nitơ và lợi ích kinh tế bằng cách thiết lập các phương pháp tưới và bón phân khác nhau. Họ phát hiện ra rằng việc áp dụng tổng hợp phân bón sinh học, phân hóa học và phân hữu cơ trong điều kiện tưới thiếu hụt vừa phải có thể cải thiện sự phát triển của ngô trong giai đoạn sinh trưởng sau này. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu phát hiện sự hấp thụ nitơ cao hơn có thể góp phần mang lại năng suất hạt cao hơn, các biện pháp bón phân tổng hợp đã làm tăng sự hấp thu nitơ và tỷ lệ phần trăm trong tổng hàm lượng nitơ, cuối cùng đã làm tăng năng suất hạt.

 

Hơn nữa, họ phát hiện ra rằng các biện pháp bón phân trong điều kiện tưới thiếu hụt vừa phải có thể tối ưu hóa quá trình thoát hơi nước định kỳ của ngô, cải thiện sức sản xuất nước của cây trồng, hiệu quả sử dụng nitơ và mang lại lợi nhuận ròng cao nhất.

 

Giáo sư Zhang cho biết: “Nghiên cứu này cung cấp một chiến lược nước-phân bón mới trong sản xuất ngô ở địa phương, cũng như cơ sở lý thuyết cho việc quản lý nước và phân bón hợp lý”.

Chức năng của gen ZmPMP3g trong chống chịu khô hạn của cây bắp

 Chức năng của gen ZmPMP3g trong chống chịu khô hạn của cây bắp

Nguồn: Ling Lei, Hong Pan, Hai-Yang Hu, Xian-Wei Fan, Zhen-Bo Wu, You-Zhi Li. 2023. Characterization of ZmPMP3g function in drought tolerance of maize. Sci Rep.; 2023 May 5; 13(1):7375. doi: 10.1038/s41598-023-32989-4.

 

Hình: Mô phỏng sự biểu hiện mạnh mẽ của gen ZmPMP3g.

 

Các gen mã hóa protein ở trong màng plasma; đó là proteolipid 3 (PMP3) domain, những protein ấy có nhiệm vụ phản ứng với stress phi sinh học, nhưng chức năng của chúng trong cây bắp trong chống chịu khô hạn chưa được biết rõ. Theo nghiên cứu này, dòng bắp transgenic biểu hiện mạnh mẽ gen ZmPMP3g giúp cây bắp chống chịu tốt với khô hạn; làm tăng chiều dài rễ tổng số, tăng hoạt tính của các enzymes:  superoxide dismutase và catalase, làm tăng hàm lượng nước của lá; làm giảm LWP (leaf water potential), giảm mức độ O2-·và H2O2, và malondialdehyde khi cây bị khô hạn. Trong nghiệm thức phun trên lá với abscisic acid (ABA), chống chịu khô hạn của dòng transgenic Y7-1 biểu hiện mạnh mẽ gen ZmPMP3g và dòng cây nguyên thủy (wild type) Ye478 đều được tăng cường, theo đó, dòng Y7-1 biểu hiện sự tăng lên ABA nội sinh và giảm gibberellin (GA) 1 nội sinh (có ý nghĩa thống kê), hơi giảm GA3 (không có ý nghĩa thống kê). Dòng Ye478 có hàm lượng ABA tương đối thấp hơn, không thay đổi GA1 và GA3. Sự biểu hiện mạnh mẽ gen ZmPMP3g trong dòng Y7-1 ảnh hưởng đến sự biểu hiện của nhiều gen TFs chủ chốt (transcription factor) trong lộ trình truyền tín hiệu khô hạn phụ thuộc ABA, không phụ thuộc ABA. Kết quả cho thấy biểu hiện mạnh mẽ gen ZmPMP3g có vai trò quan trọng trong tính trạng chống chịu khô hạn cây bắp bởi kết hợp hài hòa hiện tượng sinh lý ABA-GA1-GA3 homeostasis/balance, cải tiến tăng trưởng rễ bắp, tăng cường khả năng chống ô xi hóa, duy trì tính toàn vẹn lipid trong màng, điều tiết áp suất thẩm thấu bên trong tế bào. Mô phỏng ABA-GA-ZmPMP3g đã được nhóm tác giả đề nghị và thảo luận chi tiết.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37147346/

Ưu thế lai được hiểu dưới góc độ di truyền phân tử tại rễ và hệ rễ của cây mễ cốc

 Ưu thế lai được hiểu dưới góc độ di truyền phân tử tại rễ và hệ rễ của cây mễ cốc

Nguồn: Jutta A. Baldauf & Frank Hochholdinger. 2023. Molecular dissection of heterosis in cereal roots and their rhizosphere. Theoretical and Applied Genetics August 2023; vol. 136, Article number: 173

 

Heterosis (ưu thế lai) được biểu hiện sớm trong sự phát triển của rễ. Theo đặc điểm tính trội của mô hình heterosis, sự bổ sung trong biểu hiện gen là một cơ chế chung nhất góp phần vào kết quả heterosis kiểu hình của cây bắp lai.

 

Con lai F1 dị hợp tử có giá trị vượt trội so vớibố mẹ là dòng cận giao, hiện tượng này được định nghĩa là “heterosis”. Sử dụng ưu thế lai là một trong những phương pháp quan trọng hàng đầu của nông nghiệp. Sử dụng ưu thế lai được áp dụng rộng rải làm tăng năng suất của nhiều giống cây trồng. Rễ cây biểu hiện ưu thế lai qua nhiều tính trạng, rất quan trọng trong mục tieu cải tiến giống. Muốn giải thích được cơ sở phân tử của heterosis, nhiều giả thuyết di truyền học đã được đề xuất. Gần đây, những kỹ thuật “làm ra phổ biểu hiện gen chất lượng cao” được áp dụng phục vụ cho nghiên cứu cường lựa lai (hybrid vigor). Phù hợp với mô phỏng “tính trội” trong di truyền kinh điển, những bổ sung trong biểu hiện gen đã được người ta minh chứng là một cơ chế chung nhất góp phần vào đặc điểm heterosis kiểu hình trong giống bắp lai đa dạng. Sự phân chia chức năng của những gen ấy hỗ trợ tính chất bổ sung trong biểu hiện gen, có thể làm tăng cường đáng kể “hybrid vigor” dưới những điều kiện môi trường hết sức thay đổi. Con lai có xu hướng phản ứng khác nhau với các nguyên tố dinh dưỡng trong đất. Người ta giả định rằng: “hybrid vigor” được tăng cường thông qua sử dụng hiệu quả dinh dưỡng cao hơn mà hiệu quả hấp thu ấy gắn liền với hệ thống rễ được cải tiến của con lai so với bố mẹ chúng là dòng cận giao. Gần đây, tương tác giữa vi sinh vật đất và cây chủ được người ta thêm vào như một hướng nghiên cứu lâu dài để giải thích được dị hợp tử đang diễn diến dưới mặt đất của cây trồng. Vi sinh vật đất có ảnh hưởng đến kết quả của giống bắp lai được minh chứng bởi so sánh giữa đất kém phì nhiêu và đất có quá nhiều vi sinh vật có ích.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04419-6

Di truyền tính kháng sâu keo mùa thu FAW của cây bắp

 Di truyền tính kháng sâu keo mùa thu FAW của cây bắp

Nguồn: Isaac Kamweru, Yoseph Beyene, Anani Y Bruce, Dan Makumbi, Victor O Adetimirin, Paulino Pérez-Rodríguez, Fernando Toledo, Jose Crossa, Boddupalli M Prasanna, Manje Gowda. 2023. Genetic analyses of tropical maize lines under artificial infestation of fall armyworm and foliar diseases under optimum conditions. Front Plant Sci.; 2023 Jan 20; 14:1086757. doi: 10.3389/fpls.2023.1086757.

 

Phát triển và khai thác các giống bắp cao sản có tính kháng với sâu keo mùa thu (Fall armyworm: FAW), bệnh bạc lá (turcicum leaf blight: TLB), và bệnh đốm lá (gray leaf spot: GLS) trở nên cấp thiết cho mục tiêu an ninh lương thực của vùng cận Sahara, châu Phi. Mục tiêu nghiên cứu: xác định đạc tính di truyền tính kháng đối với FAW, xác định dòng bắp lai có gen kháng FAW, đồng thời biểu thị tính kháng với TLB và GLS, nghiên cứu hiệu quả của mô hình toán trên cơ sở phân tích khà năng phối hợp chung, riêng (GCA, SCA) và chỉ thị phân tử SNP trong dự đoán khả năng của dòng bắp lai mới. Lai “half-diallel” để có được 105 cây F1 hybrids từ 15 nguồn bố mẹ và 55 cây F1 hybrids từ 11 bố mẹ. Người ta đánh giá 2 tập đoàn này, mỗi điểm có một giống bắp địa phương đối chứng trên nhiều địa điểm khác nhau; với điều kiện có xâm nhiễm của sâu keo mùa thu hoặc lây nhiễm nhân tạo, quả lý thí nghiệm tối ứu tại Kenya. Trong điều kiện cho lây nhiễm nhân tạo sâu FAW, giá trị độ lệch chuẩn có ý nghĩa giữa các dòng hybrids và tương tác giữa hybrids x môi trường cũng được quan sát đối với hầu hết các tính trạng quan trọng trong 2 thí nghiệm, ít nhất có một trong ba đánh giá được thực hiện theo tổn thương lá bắp bởi sâu FAW. Tương tác GCA x môi trường và SCA x môi trường có ý nghĩa thống kê đối với tất cả tính trạng khi có xâm nhiễm của FAW và nghiệm thức tối ưu (optimal). Giá trị di truyền từ trung bình đến cao được ghi nhận đối với năng suất (GY) trong cả 2 điều kiện quản lý. Tương quan giữa GY với hai của ba lần cho thang điểm sâu hại (một và ba tuần sau khi lây nhiễm sâu) đối với tổn thương lá bắp bởi FAW là số âm (-0.27 và -0.38) có ý nghĩa thống kê. Tương quan thuận có ý nghĩa (0.84) được ghi nhận giữa tổn thương bắp do sâu FAW tấn công và phần trăm bắp bị thối rửa. Người ta xác định được nhiều dòng bắp lai ưu việt so với đối chứng giống thương phẩm tốt nhất của địa phương đối với năng suất và tính kháng FAW kết hợp với nhau. Các dòng bắp cận giao CML312, CML567, CML488, DTPYC9-F46-1-2-1-2, CKDHL164288, CKDHL166062, và CLRCY039 tương quan thuận có ý nghĩa giữa GCA và GY, tương quan nghịch giữa GCA và điểm kháng FAW. Dòng CML567 là vật liệu bố mẹ của 4 dòng hybrids trong tốp 4 ở điều kiện tối ưu và điều kiện bị FAW tấn công. Cả hoạt động gen cộnng (additive) và không cộng tính (non-additive gene action) đều quan trọng trong di truyền tính kháng sâu keo mùa thu FAW. Cả GCA và những mô hình trên cơ sở chỉ thị phân tử (marker-based models) đều biểu hiện tương quan cao với điều kiện ngoài đồng, nhưng “marker-based models” biểu hiện tương quan cao hơn có ý nghĩa. Dòng hybrids tốt nhất được xác định trong nghiên cứu này có thể làm nguồn vật liệu “testers” trong lai đơn để phát triển dòng bắp lai “three-way FAW resistance”. Kết quả nghiên cứu cung cấp một luận điểm mới giúp nhà chọn giống thiết kế chiến lược cải tiến giống bắp hiệu quả để phát triển bắp lai cao sản kháng sâu keo mùa thu.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36743507/

Hai thập kỷ nghiên cứu biến dị di truyền của tính trạng sinh lý cây bắp liên quan đến tính trạng chống chịu khô hạn

 Hai thập kỷ nghiên cứu biến dị di truyền của tính trạng sinh lý cây bắp liên quan đến tính trạng chống chịu khô hạn

Nguồn: Carlos D Messina, Carla Gho, Graeme L Hammer, Tom Tang, Mark Cooper. 2023. Two decades of harnessing standing genetic variation for physiological traits to improve drought tolerance in maize. J Exp Bot.; 2023 Sep 2; 74(16):4847-4861. doi: 10.1093/jxb/erad231.

 

Bài tổng quan này tiếp cận với nội dung cải tiến giống bắp cao sản chống chịu khô hạn ở giai đoạn trổ cờ và hạt vào chắc tại vùng Trung và Tây Hoa Kỳ; diễn ra trong bối cảnh cải tiến giống quy mô sản xuất đại trà. Người ta thấy rằng sau hơn hai thập kỷ, người ta đã nổ lực rất nhiều trong chọn tạo giống, mật độ cải tiến giống chịu khô hạn cho kết quả tăng từ 6,2 g m-2 năm-1 lên 7,5 g m-2 năm-1, thu hẹp chênh lệch năng suất (yied gap) 8,6 g g m-2 năm-1 trong điều kiện canh tác có nước tưới đầy đủ. Sự cải tiến này liên quan đến hiệu quả chọn lọc (GA: genetic gain) dài hạn có thể do khai thác hiệu quả các gen có lợi cho những tính trạng sinh lý khả thi với quần thể tham chiếu của giống bắp. Thí nghiệm được quản lý trong điều kiện tạo ra stress làm tối đa hóa tương quan di truyền với ngoại cảnh có chủ đích, đó là chìa khóa cho nhà lai tạo giống xác định và chọn lọc các alen mục tiêu. Người ta còn thấy được sự tích hợp các hiểu biết trong nội hàm phương pháp “genomic selection” (sàng lọc di truyền) thông qua những mô phỏng “growth models”; mô phỏng ấy có thể làm nhanh hiệu quả chọn lọc GA trong điều kiện khô hạn. Người ta dự đoán được giá trị chính xác Δr (accuracy differential) theo phương pháp tiếp cận hiện nay khoảng ~30% (Δr=0.11, r=0.38), mà giá trị ấy tăng lên theo độ phức tạp gia tăng trong hệ thống tương tác giữa cây với môi trường bởi lý thuyết Shannon. Người ta đề nghị khuôn khổ cho phép các chiến lược cải tiến giống bắp chịu hạn theo vùng địa lý và cây trồng.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37354091/

Di truyền tính trạng kiến trúc rễ cây bắp (RSA)

 Di truyền tính trạng kiến trúc rễ cây bắp (RSA)

Nguồn: Zhigang Liu, Pengcheng Li, Wei Ren, Zhe Chen, Toluwase Olukayode, Guohua Mi, Lixing Yuan, Fanjun Chen & Qingchun Pan. 2023. Hybrid performance evaluation and genome-wide association analysis of root system architecture in a maize association population. Theoretical and Applied Genetics September 2023; vol. 136, Article number: 194

 

Kiến trúc di truyền của tính trạng RSA được nghiên cứu thông qua phân tích GWAS và phân tích hệ thống đồng thể hiện (coexpression networks) của tập đoàn giống bắp (maize association population).

 

Tính trạng RSA (root system architecture) là tính trạng rất cần thiết quy định hiệu quả hấp thu nước và dinh dưỡng của cây bắp. Tuy nhiên, kiến trúc di truyền của tính trạng RSA còn được biết rất ít bởi nhiều thách thức về định tính những tính trạng có liên quan đến rễ bắp, người ta thiếu nhiều chỉ thị phân tử liên kết với chúng. Kết quả ở đây, người ta tạo nên bản đồ di truyền kiểu “association mapping” với tập đoàn giống bắp bao gồm 356 dòng cận giao được lai với dòng tester chung là Zheng58, và thực hiện “test crosses”; người ta đ1nh giá kiểu hình của 12 tính trạng RSA tại 3 địa điểm. Tác giả ghi nhận một biến dị di truyền “1.3 ~ sixfold” đối với tính trạng RSA trong tập đoàn giống “association panel”. Tập đoàn giống bắp này có 4 “subpopulations”, đó là: dòng non-stiff stalk (NSS), stiff stalk (SS), tropical/subtropical (TST), và dòng hổn hợp (mixed). Cặp lai Zheng58 × TST có số rễ crown (CRN: crown root number)  cao hơn 2,1% và có số rễ brace (BRN) ít hơn 8.6% so với cặp lai Zheng58 × NSS và Zheng58 × SS, theo thứ tự. Sử dụng GWAS với 1,25 triệu chỉ thị SNPs và “correction” đối với kiến trúc quần thể, có 191 chỉ thị SNPs đa hình được xác định đối với những tính trạng rễ bắp. Chín mươi SNPs (47%) đa hình, biểu hiện ảnh hưởng allelic dương tính, và 101 chỉ thị SNPs (53%) biểu thị ảnh hưởng âm tính. Mỗi locus có thể giải thích được 0,39% đến 11,8% biến thiên kiểu hình. Khi tích hợp kết quả GWAS với kết quả so sánh “coexpression networks”, có 26 gen ứng cử viên đáng tin cậy được người ta phân lập. Gen GRMZM2G377215, thuộc họ gen COBRA-like, có ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và phát triển rễ bắp. Gen GRMZM2G468657 mã hóa aspartic proteinase nepenthesin-1, có liên quan đến sự phát triển rễ và phản ứng với thiếu N. Như vậy, kết quả đã cung cấp một tiến bộ mới trong nghiên cứu di truyền về kiến trúc của rễ bắp. Kết quả nghiên cứu này sẽ phục vụ cho mục tiêu cải tiến di truyền các tính trạng rễ của cây bắp trong chương trình chọn tạo giống mới.

 

Xemhttps://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04442-7

Phân tích transcriptome cây bắp và tính chống chịu mặn; đặc biệt là anthocyanidins

Phân tích transcriptome cây bắp và tính chống chịu mặn; đặc biệt là anthocyanidins

 Nguồn: Jie Wang, Zhipeng Yuan, Delin Li, Minghao Cai, Zhi Liang, Quanquan Chen, Xuemei Du, Jianhua Wang, Riliang Gu, Li Li. 2023. Transcriptome Analysis Revealed the Potential Molecular Mechanism of Anthocyanidins' Improved Salt Tolerance in Maize Seedlings. Plants (Basel); 2023 Jul 27; 12(15):2793. doi: 10.3390/plants12152793.

 

Anthocyanin, một loại hình của flavonoid, đóng vai trò quan trọng giúp cây kháng với stress phi sinh học. Stress mặn là ví dụ, nó có thể làm tổn hại đến tăng trưởng và phát triển của cây bắp non. Tuy nhiên, có rất ít nghiên cứu được tiến hành về phản ứng với stress mặn của cây bắp non qua sự tích tụ anthocyanin, và cơ chế phân tử của nó. Do đó, sẽ có một ý nghĩa đáng kể  nếu nghiên cứu sự tăng trưởng và phát triển bình thường của cây bắp non để khai thác khả năng của chúng ở mức độ phân tử của anthocyanin trong cải tiến tính trạng chịu mặn của cây non thông qua phân tích hệ transcriptome cây bắp. Người ta phân lập được hai dòng bắp cận giao W22 (dòng chống chịu pur-W22 và dòng nhiễm bro-W22) biểu hiện kết quả chống chịu khác biệt nhau đối với stress mặn trong thời gia cây con trên cơ sở xét nghiệm tăng trưởng và phát triển của cây, nhưng kết quả không có gì khác biệt ý nghĩa xét theo đặc điểm của cây bắp non trong điều kiện không xử lý. Muốn xác định gen đặc biệt có trong giai đoạn cây con phản ứng với stress mặn, người ta tạo ra 2 quần thể RILs (cận giao tái tổ hợp). Đó là RILpur-W22 và RILbro-W22 từ cặp lai giữa pur-W22 và bro-W22. Sau đó, người ta tiến hành phân tích transcriptome từ những cây bắp non được trong trong nghiệm thức stress mặn và nghiệm thức bình thường. Có tất cả 6.100 và 5.710 gen DEGs (differentially expressed genes) được người ta xác định trong quần thể RILpur-W22 và RILbro-W22, theo thứ tự, trong điều kiện stress mặn, khi so sánh với nhóm không xử lý. Trong số các gen DEGs này, có 3.160 gen được xác định có mặt trong cả 2 quần thể RILpur-W22 và RILbro-W22. Chúng đóng vai trò EDGs bị stress khá phổ biến mà chủ yếu ở trong tiến trình “redox”, tiến trình “monomer metabolic”, hoạt động xúc tác, ở trong màng plasma, và điều tiết tiến trình biến dưỡng. Bên cạnh đó, người ta tìm thấy 1.728 gen DEGs đặc biệt trong các dòng bắp chống chịu mặn của quần thể RILpur-W22 mà chúng không được tìm thấy trong quần thể nhiễm mặn RILbro-W22, theo đó, có 887 gen điều tiết theo kiểu “up” và 841 gen theo kiểu “down”. Những gen DEGs như vậy sơ khởi gắn kết với  các tiến trình sinh lý “redox”, điều tiết sinh học, và ở màng plasma. Chú ý, gen có chức năng tổng hợp anthocyanin trong quần thể RILpur-W22 kích thích mạnh mẽ trong nghiệm thức xử lý mặn, chúng tỏ ra nhất quán về kiểu hình chịu mặn của cây bắp non. Kết quả phân tích transcriptome không những chỉ mở ra tầm hiểu biết mới về cơ chế phân tử phúc tạp của anthocyanin để cải tiến tính chịu mặn của cây bắp non, mà còn cho kết quả biểu hiện gen DEGs trong các dòng bắp chịu mặn (RILpur-W22) cung cấp những gen ứng cử viên phục vụ nghiên cứu sâu di truyền.

 

Xem  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37570948/

Các nhà khoa học tăng cường amino acid trong ngô

 Các nhà khoa học tăng cường amino acid trong ngô

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo ARS.

Các dòng ngô thử nghiệm được phát triển bởi một nhóm thuộc Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS) và các nhà khoa học của trường đại học sẽ tạo ra các giống ngô lai thương mại mới mà hạt có hàm lượng methionine cao.

 

Nghiên cứu này được đăng trên tạp chí Crop Science gần đây, sẽ là tin tức đặc biệt đáng hoan nghênh đối với các nhà sản xuất gia cầm hữu cơ mà gia cầm của họ yêu cầu các công thức chứa axit amin trong chế độ ăn để đảm bảo sự tăng trưởng, sức khỏe và sản xuất thịt và trứng tối ưu.

 

Là một trong chín axit amin thiết yếu và chỉ có hai axit chứa lưu huỳnh, methionine giúp khởi động quá trình tổng hợp protein và là thành phần chính của nhiều tế bào mô, bao gồm xương, cơ, dây chằng, các cơ quan, da và lông ở gia cầm. Methionine cũng củng cố các chức năng trao đổi chất, tiêu hóa và miễn dịch quan trọng.

 

Trong các hệ thống sản xuất hữu cơ có đồng cỏ, gà thả rông và các loại gia cầm khác có thể thu được methionine một cách tự nhiên từ việc ăn giun, sâu, côn trùng và một số loại thực vật. Tuy nhiên, việc bổ sung methionine tổng hợp vào khẩu phần ăn của chúng trong thức ăn làm từ ngô là cần thiết để đảm bảo gia cầm nhận được đủ lượng axit amin.

 

Các nhà sản xuất hữu cơ có thể thực hiện điều này theo quy định miễn trừ liên bang mà cho phép sử dụng tối đa 2 pound (900g) methionine tổng hợp trên mỗi tấn thức ăn cho gà và 3 pound (1350g) mỗi tấn cho gà tây, vịt và các loại gia cầm khác. Trong khi đó, nghiên cứu đang được tiến hành, bao gồm cả dự án này, để tìm ra các chất thay thế tự nhiên mà chi phí và tính sẵn có hứa hẹn sẽ thay thế hoàn toàn nhu cầu về methionine tổng hợp.

 

Ví dụ, ngô là thành phần chính trong khẩu phần thức ăn chăn nuôi hiện nay; tuy nhiên, hạt từ các giống lai được trồng thương mại chứa rất ít methionine. May mắn thay, có những nguồn biến đổi về tính trạng trong các bộ sưu tập nguồn gen có thể được phát hiện bằng các công cụ phù hợp.

 

Kỹ thuật di truyền đưa ra một cách tiếp cận; tuy nhiên, các giống cây trồng chuyển gen không được phép sử dụng trong các hệ thống sản xuất hữu cơ. Để giải quyết vấn đề này, nhà di truyền học thực vật Paul Scott và các đồng nghiệp của ARS đã kết hợp việc sử dụng hai phương pháp nhân giống cây trồng thông thường - đó là cảm ứng đơn bội gấp đôi và chọn lọc tái diễn.

 

Loại ngô mới giàu methionine được phát triển. (Peggy Greb, D1915-1).

 

Bằng cách sử dụng các phương pháp này, họ đã phát triển được 16 dòng ngô thuần chủng có hàm lượng hạt methionine ngang bằng và trong một trường hợp còn vượt qua B101, một giống ngô lai đã được chứng minh là một tiêu chuẩn so sánh hữu ích vì hàm lượng methionine cao tự nhiên. Scott, thuộc Đơn vị nghiên cứu di truyền cây trồng và côn trùng ngô ARS ở Ames, Iowa, cho biết: “B101 thường chứa khoảng 0,29g methionine trên 100g ngũ cốc và các dòng tốt nhất của chúng tôi có khoảng 0,37g trên 100g.

 

Như một phần thưởng được bổ sung, một số dòng cận huyết cũng cho thấy sự đa dạng di truyền đáng kể ở một số đặc điểm nông học nhất định khi được đánh giá trong các thử nghiệm thực địa - chiều cao cây, ngày ra hoa, khả năng kháng bệnh và hạt màu cam trong số đó.

 

Các đánh giá bổ sung đã được lên kế hoạch, bao gồm các thử nghiệm cho gia cầm ăn.

 

“Điều quan trọng là phải kiểm tra các dòng này trong các tổ hợp lai và trong các môi trường khác nhau để hiểu mức độ ổn định của tính trạng và tiềm năng năng suất của chúng là bao nhiêu. Ngoài ra, chúng tôi muốn kết hợp lượng methionine cao với các đặc tính khác có giá trị cho các nhà sản xuất gia cầm hữu cơ”, Scott cho biết. “Hạt cam là loại hạt chúng tôi đang nghiên cứu, cũng như khả năng loại trừ phấn hoa chuyển gen. Cuối cùng, chúng tôi muốn phát triển ngô có thể cung cấp một chế độ ăn uống hoàn chỉnh mà không cần bổ sung.

Xác định QTLs điều khiển ưu thế lai: mô phỏng GWAS mới ứng dụng cho cây bắp

 Xác định QTLs điều khiển ưu thế lai: mô phỏng GWAS mới ứng dụng cho cây bắp

Nguồn: Aurélien Beugnot, Tristan Mary-Huard, Cyril Bauland, Valerie Combes, Delphine Madur, Bernard Lagardère, Carine Palaffre, Alain Charcosset, Laurence Moreau & Julie B. Fievet. 2023. Identifying QTLs involved in hybrid performance and heterotic group complementarity: new GWAS models applied to factorial and admixed diallel maize hybrid panels. Theoretical and Applied Genetics; 10 October 2023; vol.136; Article no. 219

 

Một mô phỏng GWAS nguyên thủy tích hợp các alen tổ tiên cây bắp được đề nghị và được cho phép nghiên cứu tìm thấy cơ sở di truyền những QTLs có bản chất cộng tính (additive) và bản chất dị hợp trội (dominance) trong tập đoàn bắp lai mang tính chất bổ sung và mang tính chất ưu thế lai (hybrid performance).

 

Đa dạng di truyền cây bắp được cấu trúc thành những nhóm di truyền (genetic groups) qua sàng lọc và qua con lai được cải tiến. Tiến trình như vậy làm tăng tính chất bổ sung cho nhóm (group complementarity) và tính chất biệt hóa nhóm (differentiation) theo thời gian và chắc chắn rằng những hybrids như vậy sản sinh ra từ tạp giao giữa các nhau (inter-group crosses) biểu hiện hiệu quả cao và dị hợp tử. Mốn xác định được loci bao gồm tính hiệu quả cao của ưu thế lai và bổ sung vào nhóm dị hợp, người ta tiến hành du nhập một mô hình thuật toán có tên “original association study” mà mô hình này gai3i quyết các hiệu ứng “allelic”từ nguồn tập đoàn giống dị hợp tử  của nhiều alen và so sánh nó với mô hình toán cô điển về “additive/dominance” (cộng/trội: đồng hợp/dị hợp). Mô phỏng toán mới này được áp dụng kiểu giai thừa (factorial) giữa dòng bắp Dent và bắp Flint, qua phân tích diallel giữa hổn hộp “Dent-Flint admixed lines” có hai nhóm phân tích khác nhau: trong mỗi môi trương và trong nhiều môi trường. Người ta xác định được nhiều QTLs tương tác cộng tính (additive) đối với tất cả tính trạng nghiên cứu, bao gồm vài loại hình “additive QTLs” nổi tiếng đối với tính trạng ngày trổ bông (trong vùng Vgt1/2 trên nhiễm sắc thể 8). Tính trạng năng suất bới các gen tương tác có ý nghĩa theo “non-additive” (không cộng tính) trong phân tích diallel. Hầu hết những QTLs liên quan đến năng suất được tìm thấy biểu hiện bản chất overdominance (siêu trội) hoặc, pseudo-overdominance (siêu trội tạm thời). Siêu trội tạm thời tại những QTLs như vậy đóng góp một phần vào kết quả bổ sung vào nhóm di truyền. So sánh giữa những môi trường khác nhau cho thấy có sữ ổn định cao hơn của những “additive QTL” so với “non-additive QTLs”. Nhiều QTLs biểu hiện biến dị di truyền tùy theo nguồn gốc vật liệu di truyền dị hợp ở địa phương. Người ta ghi nhận ở những vùng của nhiễm sắc thể lớn biểu thị ảnh hưởng của vật liệu di truyền nguyên thủy. Như vậy, kết quả này chúng minh được rằng làm thế nào để tập đoàn giống bắp có tính chất “admixed” (pha trộn) kết hợp được với mô phỏng GWAS cho phép người ta xác định những QTLs mới mà mô hình thuật toán cũ không thể giải thích được.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04431-w

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

 “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) C478Rf12Rf12 và C478rf12rf12 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

Xây dựng cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng ở Ngô Việt Nam

  Xây dựng cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng ở Ngô Việt Nam

Đ.T.V - NASATI.

Ngô (Zea mays L.) là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo (Poaceae hay còn gọi là Gramineae). Ngô có nguồn gốc từ teosinte hoặc một số loài hoang dại rất gần với teosinte, được thuần hóa từ Nam và Tây nam của Mexico (Wilkes, 2004; Sluyter và Dominguez, 2006). Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu quốc tế về cải tiến ngô và lúa mỳ (CIMMYT) đang lưu giữ 27,000 mẫu nguồn gen trên tổng số 47,000 nguồn gen ngô đang được lưu giữ tại các ngân hàng gen trên toàn thế giới (Taba, 2005). Phần lớn các mẫu nguồn gen đang được lưu giữ là các giống ngô bản địa bao gồm Teosinte và Trispsacum. Ngô trồng được thuần hóa hiện nay được chia thành khoảng 300 nhóm giống bản địa (landraces) (Goodman và Brown, 1988). Ngô thương mại hiện đại diện cho chỉ một phần nhỏ trong số 300 nhóm giống ngô bản địa. Rất ít các giống bản địa được thương mại hóa, có thể chỉ đại diện cho từ 5 đến 10% các giống bản địa của Tân thế giới, là tổ tiên của số lượng lớn các nguồn gen ngô được phân bố rộng ở châu lục cũ.

Giá trị dinh dưỡng của Ngô trong hạt ngô bao gồm 70-75% đường, tinh bột, 8-10% protein và 4-5% tinh dầu. Hàm lượng tiền vitamin A và các axit amin thiết yếu như lyzin và tryptopan cũng là những đặc tính dinh dưỡng quan trọng cần hướng tới trong các chương trình chọn tạo giống ngô dinh dưỡng. Các đặc tính liên quan tới giá trị dinh dưỡng của ngô này được thể hiện thông qua các biến dị di truyền tự nhiên sẵn có. Xác định và điều khiển được các gen quan trọng này sẽ mở ra hướng mới thiết kế các tổ hợp biến dị quan trọng làm thay đổi giá trị dinh dưỡng của ngô, hướng đến mục tiêu chọn tạo giống ngô có hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ tiêu hóa, đáp ứng được nhu cầu trong tương lai.

 

Tuy nhiên, sự quan tâm về tập đoàn ngô địa phương chỉ mới dừng ở mức độ thu thập và lưu giữ tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia. Trung tâm Trung tâm Tài nguyên thực vật thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Việt Nam đã và đang lưu giữ hàng ngàn nguồn gen ngô địa phương với các thông tin kiến thức bản địa được thu thập. Nhưng các nghiên cứu đánh giá chuyên sâu về các đặc tính có tầm quan trọng kinh tế nói chung và tính trạng chất lượng nói chung chưa được thực hiện trên tập đoàn ngô địa phương. Vì vậy, dữ liệu này chưa có nhiều ý nghĩa đáng có trong khai thác và sử dụng đối với các nhà chọn tạo giống.

 

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài “Xây dựng cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng ở Ngô Việt Nam”, do TS. Trần Thị Thu Hoài làm Chủ nhiệm, Trung tâm Tài nguyên thực vật chủ trì, đã được thực hiện với mục tiêu: Xây dựng được cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng chủ yếu có giá trị của tập đoàn ngô Việt Nam phục vụ công tác chọn tạo giống ngô lai chất lượng cao.

 

Nghiên cứu về các đột biến ngô đã giúp làm sáng tỏ các gen chính tham gia vào quá trình tổng hợp tinh bột. Trong một nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2020) đã xác định được một đột biến allelic mới của sh1 được tạo ra bởi tác nhân gây đột biến gen ethyl methanesulfonate (EMS), được gọi là sh1 *. Các đột biến sh1 làm mất hơn 90% hoạt động tổng hợp sucrose trong nội nhũ sh1 *, dẫn đến giảm đáng kể hàm lượng tinh bột trong khi lượng đường hòa tan tăng đáng kể. Kết quả đo lượng đường phosphoryl hóa cho thấy rằng sự mất chức năng của sh1 dẫn đến giảm đáng kể hàm lượng G-1-P trong sh1 * nội nhũ. Là nguồn trực tiếp tổng hợp tinh bột, việc giảm của Glc-1-P có thể làm giảm đáng kể lượng cacbohydrat dẫn đến tổng hợp tinh bột, cuối cùng góp phần đến các khuyết tật trong quá trình phát triển hạt tinh bột và giảm hàm lượng tinh bột.

 

Sinh tổng hợp amylopectin đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng của các enzym bao gồm SSs, BE và DBE (Hannah, 1997; Whitt và cộng sự, 2002; James và cộng sự, 2003; Hannah và Greener, 2009; Jeon và cộng sự, 2010; Keeling và Myers, 2010). Thiếu BE enzyme trong ae1 dẫn đến sự tích tụ lên đến 50% amylose do sản xuất amylopectin ít hơn. Dạng đột biến gene waxy (wx) có kiểu hình nội nhũ ngô 100% amylopectin. Cả hai đột biến đã được sử dụng trong việc lai tạo ngô để tạo ra ngô có hàm lượng amylose cao hoặc thấp để thay đổi tính chất của tinh bột phục vụ cho các mục tiêu sử dụng khác nhau.

 

Hoạt động của DBE là cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp tinh bột. Ở ngô, bộ DBE hoàn chỉnh bao gồm 1 PUL1 (ZPU1) và 3 protein ISA được bảo tồn cao (ISA1, ISA2 và ISA3). ISA1, được mã hóa bởi Sugary1 (Su1), được cho là chịu trách nhiệm chính cho sự kết tinh và sinh tổng hợp amylopectin (Kubo và cộng sự, 2010). Gen sugary1 (su1) mã hóa một debranching enzyme của isoamylase. Đột biến su1 có nội nhũ có phân nhánh rất cao các phân tử phytoglycogen hòa tan trong nước và là cấu trúc tiền thân của các giống ngô ngọt (James và cộng sự, 1995; Dinger và các cộng sự, 2001). Mất chức năng su1 cũng dẫn đến sự thiếu hụt đồng thời trong hoạt động của zpu1 (Dinger và các cộng sự, 2003). Các đột biến su1 lặn là cơ sở của các giống ngô ngọt truyền thống (Zhang và cộng sự, 2019).

 

Đề tài đã triển khai đúng tiến độ, đạt kết quả tốt. Sản phẩm đạt yêu cầu về số lượng và chất lượng cụ thể như sau:

 

Đã đánh giá các tính trạng dinh dưỡng bao gồm tinh bột, protein, lipit và beta-caroten của các mẫu giống ngô địa phương Việt Nam (200 mẫu giống/1 nhóm tính trạng). Kết quả đánh giá cho thấy tập đoàn ngô địa phương Việt Nam có mức độ đa dạng cao về các tính trạng dinh dưỡng.

 

Trên cơ sở kết quả giải trình tự của 52 gen liên quan đến các các tính trạng dinh dưỡng chủ yếu của ngô, đã phát hiện 840 SNP, 181 InDel. So sánh trình tự của các gen với cơ sở dữ liệu NCBI, đã xác định được 172 alen hiếm trên 32 gen liên quan đến tính trạng chất lượng. Tổng số 52 trình tự của 167 alen hiếm trên 31 gen đã được đăng ký trên NCBI.

 

Đề tài đã thiết kế và thử nghiệm thành công 7 bộ chỉ thị phát hiện 7 alen hiếm của 7 gen đã được giúp nhận dạng alen hiếm trên một số gen liên quan 82 đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng của tập đoàn ngô địa phương của Việt Nam

 

Kết quả đánh giá các tính trạng chất lượng dinh dưỡng, trình tự của các gen được giải mã cũng như SNP và InDel được nhập vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu trực tuyến về kiểu gen về chất lượng dinh dưỡng sẽ cung cấp thông tin cho người sử dụng phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản và chương trình chọn tạo giống.

 

Đề tài đã xây dựng được tập đoàn hạt nhân về chất lượng dinh dưỡng bao gồm 82 mẫu nguồn gen ngô đại diện cho mức độ đa dạng cao về kiểu gen cũng như kiểu hình của tập đoàn ngô địa phương của Việt Nam.