Bệnh sọc lá bắp do virus ở châu Phi, tổng quan di truyền tính kháng

 Bệnh sọc lá bắp do virus ở châu Phi, tổng quan di truyền tính kháng

Nguồn: Mary Emeraghi, Enoch G. Achigan-Dako, Chibuzo N. C. Nwaoguala & Happiness Oselebe. 2021. Maize streak virus research in Africa: an end or a crossroad. Theoretical and Applied Genetics December 2021; vol. 134: 3785–3803

 

Thiệt hại về kinh tế của bệnh siêu vi gây sọc lá bắp trong sản xuất bắp của châu Phi chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Sự lệ thuộc có tính chất liên tục của gen đơn có ảnh hưởng số lượng “quantitative trait locus” (QTL) có tên là gen Msv1 trên nhiễm sắc thể 1 của hệ gen cây bắp (Zea mays L.) không hề đảm bảo về tính kháng bệnh bền vững đối với pathogen này. Hơn 10 thập niên nghiên cứu về bệnh sọc lá siêu vi trên bắp, người ta ghi nhận cơ chế tính kháng của cây chủ, nó rất đúng trong tiếp cận với những phương pháp của tương lai để thu nhận kết quả chắc chắn thông qua xem xét vai trò tương trợ lẫn nhau (synergistic roles) của những QTL thứ yếu và QTL kháng trung bình, định vị trên nhiều nhiễm sắc thể khác nhau sao cho quản lý bệnh hại trở nên dễ dàng hơn trong hệ thống canh tác ở vùng cận Sahara (sub-Saharan Africa). Bài tổng quan này, người ta tập họp hơn 40 bài viết đã công bố, có liên quan đến bệnh sọc lá bắp (maize streak disease) được phân tích có hệ thống với khoảng 30% tham khảo chuyên đề có tính truyền thống, nội hàm phân tử và phương pháp chuyển nạp gen đích du nhập vào giống bắp trồng trọt, duy trì và cải tiến tính kháng bệnh sọc lá trên cây bắp. Kỹ thuật meta-analysis của phương pháp lập bản đồ QTLs liên quan đến tính trạng kháng bệnh sọc lá, được tiến hành qua một số dẫn chứng đối với tính chất phụ thuộc lẫn nhau hoặc tính chất đồng vị trí (co-localization) của những loci kháng bệnh. Kết quả này sẽ giúp cho việc quyết định đúng đắn trong chiến lược chọn giống nhờ chỉ thị phân tử. Với điều kiện biến đổi khí hậu toèn cầu, sự chuẩn bị của loài người trước sự kiện dịch tể học theo sau nó là quá trình tiến hóa nào đó đối với hệ gen của siêu vi gây sọc lá bắp được người ta xác định là không đầy đủ. Phương pháp chọn giống mới bao gồm tích tụ gen (chồng gen kháng) có thể được xem xét trong chương trình cải tiến giống bắp, đảm bảo tính kháng bền vững bên cạnh mục tiêu chọn tạo giống bắp chống chịu những stress phi sinh học, đặc biệt là khô hạn.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03914-y

Chẩn đoán ẩm độ hạt bắp bằng NIR spectrocopy và mô phỏng SVM

Chẩn đoán ẩm độ hạt bắp bằng NIR spectrocopy và mô phỏng SVM

Nguồn: Michael J. Burns, Jonathan S. Renk, David P. Eickholt, Amanda M. Gilbert, Travis J. Hattery, Mark Holmes, Nickolas Anderson, Amanda J. Waters, Sathya Kalambur, Sherry A. Flint-Garcia, Marna D. Yandeau-Nelson, George A. Annor & Candice N. Hirsch. 2021. Predicting moisture content during maize nixtamalization using machine learning with NIR spectroscopy.  

Theoretical and Applied Genetics Vovember 2021; vol. 134: 3743–3757

 

Thủy phần hạt trong giai đoạn nixtamalization có thể được người ta dự đoán chính xác nhờ  phương pháp sắc ký NIR spectroscopy kết hợp với mô phỏng của SVM (vector machine model.

 

Thiếu hệ thống đánh giá kiểu hình chất lượng cao trong xác định ẩm độ hạt bắp trong giai đoạn nixtamalization trong quá trình nấu nướng, điều này dẫn đến nội dung cải tiến giống bắp gặp nhiều khó khăn. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp có độ chính xác cao (high-throughput), số liệu đo đếm ẩm độ hạt bắp trong giai đoạn nixtamalization dựa trên cơ sở chạy sắc ký NIR những hạt trần chưa nấu nướng. Người ta học cách sử dụng máy rồi phát triển ra thành những mô phỏng (models) do kết hợp số liệu NIR spectra và thủy phần hạt từ phương pháp nấu có thuật ngữ chung là scaled-down benchtop cook. Mô phỏng toán tuyến tính có tên SVM được viết tắt từ chữ support vector machine model với hệ số tương quan xếp theo thứ bậc Spearman là 0.852 giữa giá trị phòng thí nghiệm ướt và giá trị dự đoán của 100 mẫu giống bắp khác nhau được trồng ở ôn đới, thí nghiệm có lập lại ở 2 địa điểm khác nhau. Mô phỏng toán này được áp dụng trên hệ thống phổ NIR của 501 giống bắp ôn đới trồng lập lại tại 5 địa điểm khác nhau. Phân tích phương sai (ANOVA) cho thấy ảnh hưởng ngoại cảnh giải thích cao nhất  là 51.5%, theo sau là kiểu gen (giống) giải thích 15.6%, tương tác giữa GxE  giải thích 11.2%. Phân tích GWAS cho kết quả xác định được 26 loci có ý nghĩa thống kê đối với 5 môi trường, giải thích được 5.04% và 16.01% (trung bình = 10.41%). Tuy nhiên, những genome-wide markers chỉ giải thích được 10.54% đến 45.99% (trung bình = 31.68%) biến thiên kiểu hình, có nghĩa là kiến trúc di truyền của tính trạng này rất phức tạp, được điều khiển bởi nhiều loci có ảnh hưởng bé. Ngjiên cứu này cung cấp một phương pháp high-throughput để đánh giá ẩm độ hạt trong giai đoạn nixtamalization có tính chất khả thi trong ứng dụng ở mức độ cải tiến giống bắp, đồng thờ cung cấp nguồn thông tin quan trọng về các yếu tố tham gia vào biến thiên di truyền của tính trạng giúp nhà chọn giống bắp và doanh nghiệp công ty chế biến thức ăn từ bắp hoạch định những chiến luọc ttrong tương lai cải tiến tính trạng quan trọng này.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03926-8

Đánh giá hiệu quả kinh tế giống bắp chuyển gen ở Philippines

 Đánh giá hiệu quả kinh tế giống bắp chuyển gen ở Philippines

Nguồn: Flor Alvarez, Abraham Manalo, Ramon Clarete. 2021. Economic Assessment of GM Corn Use in the Philippines. International Journal of Food Science and Agriculture, 2021, 5(1):115‐128.

 

Bắp vàng chuyển gen đã và đang phát triển ở Philippines từ năm 2002. Trong 17 năm qua, diện tích trồng bắp GM tăng lên khoảng 835 nghìn Ha, trung bình tăng 31.24% mỗi năm. Một phần ba nông dân Philippines (460.000 nông hộ) trồng giống bắp GM. Năng suất tăng 11.45% do giống bắp GM được chấp nhận rộng. Thu nhập của nông hộ cũng nhờ vậy gia tăng đáng kể. Thu nhập mang lại từ giống bắp GM đạt 189,4 triệu đô la Mỹ, xấp xỉ 10% tổng thu nhập nông hộ Phi. Không chỉ thu nhập tốt cho nông hộ mà còn bao hàm việc nông hộ thu nhập thấp trước đây trở nên khá hơn nhờ giống bắp GM.

 

Xem: http://www.hillpublisher.com/UpFile/202103/20210308175238.pdf

 

GWAS và phân tích hệ gen đơn bội của tập đoàn giống bắp nhập nội

 GWAS và phân tích hệ gen đơn bội của tập đoàn giống bắp nhập nội

Nguồn: Anderson Luiz Verzegnazzi, Iara Gonçalves dos Santos, Matheus Dalsente Krause, Matthew Hufford, Ursula Karoline Frei, Jacqueline Campbell, Vinícius Costa Almeida, Leandro Tonello Zuffo, Nicholas Boerman & Thomas Lübberstedt. 2021.  Major locus for spontaneous haploid genome doubling detected by a case–control GWAS in exotic maize germplasm. Theoretical and Applied Genetics May 2021; vol. 134: pages1423–1434

 

Một locus chủ lực quy định sự gia tăng gấp đôi hệ gen đơn bội tự phát sinh trong thiên nhiên (spontaneous haploid genome doubling) được tìm thấy qua kết quả GWAS của tập đoàn giống bắp nhập nội. Sự kết hợp của chọn giống đơn bội kép với locus này dẫn đến quần thể phân ly mạnh mẽ trên nhiễm sắc thể 5. Chương trình lai giống bắp (Zea mays L.) cho vùng ôn đới  thường ít thành công vì đa dạng di truyền rất hẹp, điều này cần thiết phải mở rộng nguồn vật liệu nhập nội trong lai tạo giống mới. Mục tiêu nghiên cứu là hoàn thiện tính chất nông học các dòng cận giao dẫn xuất từ quần thể bắp BS39 nhiệt đới, sử dụng các phương pháp chọn giống khác nhau để xác định vùng trên hệ gen bắp có được kết quả “segregation distortion” (phân ly đột phá) dòng lai của quần thể đơn bội kép DH. Quần thể này có bản chất tự phát sinh nên người ta gọi đó là SHGD (spontaneous haploid genome doubling). Người ta sử dụng kỹ thuật bản đồ case–control association mapping để xác định được những loci điều khiển SHGD. Bốn tập đoàn khác nhau được dùng là: BS39_DH và BS39_SSD dẫn xuất từ quần thể BS39 bởi đơn bội kép DH và single-seed descendent (SSD); quần thể con lai BS39 × A427_DH và BS39 × A427_SSD từ cặp lai BS39 x A427. Có tất cả 663 dòng cận giao (inbred) được đánh giá kiểu gen. Phân tích tính chất đa dạng nguồn gen và sự phân hóa di truyền (genetic differentiation) đối với bản chất đơn bội kép DH đã minh chứng được rằng: sự có mặt của  locus SHGD gần tâm động (centromere) của nhiễm sắc thể số 5 là nguyên nhân chính. Kết quả GWAS đối với bản chất DH cũng xác định lại locus này là chính xác. Phân tích đơn bội chomthấy hầu hết 100% đóng góp có tính chất chọn lọc của hệ gen giống bắp A427 nằm ở cùng vị trí trên nhiễm sắc thể 5 của cặp lai BS39 × A427_DH, bởi một alen ảnh hướng đến SHGD. Locus này có thể sản sinh ra dòng đơn bội kép từ quần thể giống bắp nhập nội bằng xử lý colchicine.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03780-8

 

Di truyền giống bắp chống chịu mặn thông qua nghiên cứu rễ bắp

 Di truyền giống bắp chống chịu mặn thông qua nghiên cứu rễ bắp

Nguồn: Pengcheng Li, Xiaoyi Yang, Houmiao Wang, Ting Pan, Yunyun Wang, Yang Xu, Chenwu Xu & Zefeng Yang. 2021. Genetic control of root plasticity in response to salt stress in maize. Theoretical and Applied Genetics May 2021; vol. 134:1475–1492

 

GWAS đã xác định được 559 chỉ thị phân tử SNP có liên quan đến sự kiện tái mô phỏng lại (remodelling) của kiến trúc rễ bắp khi phản ứng với stress mặn. Có 168 gen ứng cử viên được ưu tiên hóa bởi kỹ thuật integrating RNA-seq, DEG và cơ sở dữ liệu WGCNA.

 

Mặn là yếu tố ngoại cảnh chủ yếu  làm ảnh hưởng đến năng suất cây trồng. Hệ rễ cây là cơ quan đầu tiên phản ứng với mặn, do vậy ảnh hưởng của mặn ở vùng rễ cây bắp phát triển như thế nào, vẫn còn là điều chưa biết rõ. Theo kết quả nghiên cứu này, biến thiên tự nhiên của rễ bắp thông qua 14 tính trạng và của chồi thân thông qua 4 tính trạng đã được đánh giá, trong quần thể bao gồm 319 dòng bắp cận giao giữa nghiệm thức đối chứng và nghiệm thức xử lý mặn. Những biến thiên kiểu hình đáng chý ý là ở nghiệm thức nồng độ mặn cao, chiều dài rễ giảm đáng kể, nhưng đường kính rễ lại tăng lên. Phân tích GWAS  những tính trạng nông học và tính chất co dãn trong phản ứng với stress (relative variation). Người ta phát hiện thấy có 55 chị thị SNP có ý nghĩa thống kê, trong đó, có 125 SNPs biểu hiện trong nghiệm thức đối chứng, 181 SNP trong nghiệm thức có stress mặn và 253 SNPs biểu hiện trong giá trị tương đối giữa stress và đối chứng (trait plasticity). Có 168 gen thuộc 587 gen ứng cử viên được phân lập bởi kết quả GWAS. Hai gen ứng cử viên ZmIAA1 và ZmGRAS43 được minh chứng bởi kết quả chạy trình tự DNA (theo kỹ thuật resequencing). Trong những gen ấy, có 130 gen được tìm thấy trong nghiệm thức có stress mặn, hoặc trong phương pháp tính giá trị tương đối, bao gồm nhiều tiến trình sinh học đa dạng, sự truyền tín hiệu hormone, sinh tổng hợp phenylpropanoid, và tổng hợp acid béo. Kết quả nghiên cứu đã làm rõ được  bản chất của “root remodelling” khi cây bắp phản ứng với mặn, xác định được những loci và gen ứng cử viên. Chúng rất quan trọng để cải tiến di truyền kiến trúc rễ bắp và giống bắp cao sản chống chịu mặn.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03784-4

 

Protein Knl1 có vai trò truyền tín hiệu trong hệ gen cây bắp

Protein Knl1 có vai trò truyền tín hiệu trong hệ gen cây bắp

 

Nguồn: Handong Su, Yang Liu,  Chunhui Wang, Yalin Liu, Chao Feng, Yishuang Sun, Jing Yuan,  James A. Birchler, and Fangpu Han. 2021. Knl1 participates in spindle assembly checkpoint signaling in maize. PNAS May 18, 2021 118 (20) e2022357118; GENETICS.

 

Truyền tín hiệu có tiính chất checkpoint ở giai đoạn sợi nhiễm sắc hình thoi, viết tắt là SAC (spindle assembly checkpoint) điều khiển tính trạng gắn kết kinetochores đến thoi nhiễm sắc (spindle microtubules). Tuy nhiên, làm thế nào SAC proteins kết nối với kinetochores vẫn còn là điều bí ẩn trong thực vật. người ta xác định được chore protein Knl1 của cây bắp và cho rằng nó có chắc năng mang tính ch61t bảo thủ Knl1 khi phân bào. Dạng xoắnvới những amino acid có tính chất “hydrophobic” (kỵ nước) ở giữa phân tử protein Knl1 có trong sự tập họp của SAC protein, điều này khác với phosphoryl hóa trên môi trường Mps1 của những modules MELT. Chúng được mô tả trong tế bào nấm men (yeast) và động vật có vú. Vùng này, được tìm thấy trong protein Knl1 của cây bắp, được bảo tồn trong thực vật một lá mầm nhưng biểu hiện hết sức đa dạng trong sinh vật eukaryote, như vậy,  kiến trúc của kinetochore rất khác biệt nhau trong sự truyền tín hiệu SAC của thực vật.

 

Hệ thống Knl1-Mis12-Ndc80 (KMN) là thành phần rất cần thiết của kinetochore–microtubule gắn ở mặt ngoài, rất cần cho sữ ổn định hệ gen của sinh vật eukaryote. Người ta tiến hành dòng hóa phân tử đồng dạng Knl1 của cây bắp (Zea mays), rồi xác định nó như một kinetochore trung tâm có tính chất giả định. Các xét nghiệm về chức năng cho thấy chúng có vai trò hết sức bảo thủ trong phân ly và tập học nhiễm sắc thể trong phân bào, gây ra sự phân bào khiếm khuyết khi phát triển hạt bắp, lúc đó, phân tử Knl1 transcript hết hoạt động. Một vùng có 145 aa trong đoạn giữa của phân tử protein Knl1 cây bắp, không có trongnhững đoạn lập lại MELT, được gắn với hoạt động tương tác SAC (spindle assembly checkpoint) của họ protein Bub1/Mad3 số 1và số 2 (Bmf1/2) mà không gắn với protein Bmf3..

 

Xem https://www.pnas.org/content/118/20/e2022357118

Sự đa dạng di truyền của ngô cho biết những thông tin mới trong nghiên cứu bộ gen

 Sự đa dạng di truyền của ngô cho biết những thông tin mới trong nghiên cứu bộ gen

 Bùi Anh Xuân theo Đại học Bang Iowa.

Các bộ gen mới được tập hợp của 26 dòng gen khác nhau của ngô minh họa cho sự phong phú về đa dạng di truyền của cây trồng và mở đường cho việc hiểu rõ hơn cơ chế di truyền tạo nên các tính trạng tốt được nông dân đánh giá cao.

 

Bản đồ của 26 bộ gen ngô được trình bày chi tiết trong một bài báo đăng trên tạp chí Science và Matthew Hufford, tác giả đầu tiên của nghiên cứu tại Đại học bang Iowa, cho biết các bộ gen sẽ giúp các nhà khoa học lắp ghép những mảnh ghép để giải câu đố về di truyền học trên ngô. Sử dụng các bộ gen mới này làm nguồn tham chiếu, các nhà thực vật học có thể chọn lọc hiệu quả hơn các gen có khả năng đem lại năng suất cây trồng cao hơn hoặc khả năng chống chịu căng thẳng tốt hơn.

 

Hufford cho biết: “Nó cho phép bạn hiểu chính ác hơn về nguyên nhân dẫn đến sự đa dạng di truyền của các tính trạng. Nếu một nhà lai tạo thực sự muốn chọn đúng biến dị để tạo ra một tính trạng tốt mà họ quan tâm, trong khi đó họ chỉ có một cái nhìn mù mờ về nguyên nhân di truyền của sự biến đổi trong tính trạng đó. Điều này đồng nghĩa với  việc họ đang làm việc với hai tay bị trói sau lưng. Vì vậy, chúng tôi đang cung cấp cho họ nhiều thông tin hơn để tiếp tục”.

 

Bộ gen ngô đầu tiên được lập bản đồ là dòng gen được gọi là B73, một dòng được phát triển tại bang Iowa. Patrick Schnable, Giám đốc Viện Khoa học Thực vật ISU và Doreen Ware, giáo sư trợ giảng tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor và các  nhà khoa học nghiên cứu tại USDA đã nỗ lực lập bản đồ bộ gen và đã hoàn thành vào năm 2009. Kể từ đó, B73 đã đóng vai trò là bộ gen tham chiếu chính cho ngô, với một số cụm gen được bổ sung có sẵn trong vài năm trở lại đây. Điều đó có nghĩa là các nhà khoa học có hiểu biết hạn chế về trình tự di truyền trong các bộ gen ngô khác không có trong B73.

 

“Mặc dù bộ gen đầu tiên là vô giá, cung cấp danh sách các bộ phận ban đầu và sơ đồ đi dây từng phần, nhưng chúng tôi biết rằng nó chưa hoàn chỉnh”, Ware nói. “Điều quan trọng là phải phát triển các bộ gen tham chiếu khác để hiểu được kiến ​​trúc di truyền cơ bản liên quan đến các tính trạng nông nghiệp quan trọng”.

 

Nhưng 26 bộ gen được lập bản đồ trong nghiên cứu mới bao gồm một loạt các đa dạng di truyền, mọi thứ từ bỏng ngô đến ngô ngọt đến ngô đồng từ các điều kiện địa lý và môi trường khác nhau. Điều này cung cấp nhiều dữ liệu tham chiếu hơn cho các nhà khoa học trong việc tìm kiếm các đa dạng di truyền của ngô cho các tính trạng mục tiêu giúp năng suất cây trồng tốt hơn.

 

Đa dạng di truyền đặt ra nhiều thách thức

 

Hufford cho biết sự đa dạng di truyền tuyệt đối có trong ngô đã tạo ra những trở ngại lớn cho việc lập bản đồ các bộ gen mới. Ông cho biết 85% bộ gen của ngô là các yếu tố gen nhảy hoặc các trình tự lặp lại trên toàn bộ bộ gen. Hufford đã so sánh những yếu tố gene nhảy này với một trò chơi ghép hình trong đó phần lớn các mảnh ghép là một màu duy nhất. Tất cả sự lặp đi lặp lại đó khiến bạn khó tìm ra cách làm sao lắp cho các bộ phận ăn khớp với nhau.

 

Nếu bạn không thể tìm thấy một màu sắc hoặc hình dạng độc đáo cho bạn biết vị trí đặt mảnh ghép, thì có nghĩa là bạn đã gặp phải rắc rối rồi”, Hufford nói. “Nhưng nếu bạn nhận được các mảnh ghép lớn hơn một chút với các đặc điểm lạ, điều đó sẽ làm cho quá trình lập bản đồ gen của bạn trở nên đơn giản hơn.

 

Những tiến bộ công nghệ cung cấp những công cụ mà các nhà nghiên cứu cần để vượt qua những trở ngại đó, Hufford nói. Công nghệ giải trình tự mới cho phép đọc trình tự dài hơn, có nghĩa là các mảnh ghép lớn hơn và có khả năng chứa nhiều manh mối hơn cho phép các nhà khoa học sắp xếp chúng hợp lý.

 

Hufford cho biết, công nghệ mới thậm chí có thể cho phép lắp ráp toàn bộ các gen và các biến thể của nó hoặc một bộ gen tham chiếu bao gồm tất cả sự đa dạng di truyền có trong ngô. Ông gọi nỗ lực như vậy là “giới hạn mới” của dòng nghiên cứu này.