Phát hiện bộ gen trên cây ngô chứa nhiều vùng gen, kháng cùng lúc nhiều loại mầm bệnh

 Phát hiện bộ gen trên cây ngô chứa nhiều vùng gen, kháng cùng lúc nhiều loại mầm bệnh

Trong điều kiện khí hậu đang thay đổi, người trồng ngô cần phải sẵn sàng cho mọi thứ, bao gồm những mối quan tâm đến sự xuất hiện của những loại bệnh mới và sự tiến hóa của những mầm bệnh đã có từ trước. Bởi vì không thể dự đoán được loại bệnh gây hại nào sẽ xuất hiện trong một năm nhất định, ngô có khả năng kháng nhiều loại bệnh sẽ là một lợi thế lớn cho người trồng trọt. Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Đại học Illinois Urbana-Champaign đang đến gần hơn với mục tiêu đó.    Bệnh héo lá Goss gây bởi vi khuẩn và bệnh nấm đốm xám, bệnh bạc lá ngô ở miền Bắc và bệnh cháy lá ở miền Nam là những bệnh nghiêm trọng đối với người trồng trọt trên khắp miền Trung Tây Hoa Kỳ và trong một số trường hợp là trên toàn cầu. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí G3 Genes|Genomes|Genetics, cho thấy có một số vùng gen liên quan đến khả năng kháng lại cả bốn bệnh này.   “Chúng tôi không chỉ tìm thấy các vùng trong bộ gen có khả năng kháng từng loại bệnh mà còn xác định được một số dòng ngô thử nghiệm có khả năng kháng tất cả các loại bệnh này. Tiffany Jamann, tác giả chính của nghiên cứui và phó giáo sư tại Khoa Khoa học cây trồng, Trường Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường (ACES), cho biết những phát hiện này sẽ giúp cho việc phát triển các vật liệu cây trồng có khả năng kháng nhiều loại bệnh cùng một lúc.   Nhóm nghiên cứu đã thực hiện một số phép lai chiến lược giữa các dòng ngô kháng bệnh và nhạy cảm, cho phép họ lập bản đồ các đặc tính kháng bệnh tới các vị trí cụ thể trong bộ gen. Hiện tại, những vùng kháng bệnh này khá lớn, bao gồm hàng trăm gen riêng lẻ. Nếu có những gen cụ thể có tác động quá lớn thì chúng vẫn chưa được xác định.   Tuy nhiên, việc xác định các vùng quan trọng này rất hữu ích vì khả năng kháng bệnh hiếm khi phụ thuộc vào một gen duy nhất. Trên thực tế, sức mạnh bổ sung hoặc số lượng của nhiều gen phối hợp với nhau có nghĩa là sức đề kháng sẽ bền vững hơn. Sẽ có phương án dự phòng nếu mầm bệnh tìm ra cách thoát khỏi một cơ chế kháng bệnh nhất định. Điều thú vị là độ bền này thậm chí có thể có tác dụng chống lại các nhóm mầm bệnh khác nhau.   “Chúng tôi đã tìm thấy 19 vùng gen có liên quan đến khả năng kháng bệnh héo rũ Goss do vi khuẩn”. Jamann cho biết: Một số khu vực trong số đó cũng có liên quan đến khả năng kháng lại mầm bệnh nấm. “Vì vậy, có thể nhân giống cây trồng có khả năng  kháng một số bệnh cùng một lúc bằng cách sử dụng cùng một vùng di truyền”.   Nấm và vi khuẩn rất khác nhau về mặt sinh học, nhưng cả hai đều phải tìm cách xâm nhập vào cây, di chuyển khắp nơi và sinh sản. Jamann cho biết có thể các gen kháng bệnh kích hoạt những thay đổi trong hệ thống mạch của thực vật khiến cả hai loại mầm bệnh khó di chuyển hơn, nhưng cô vẫn không thể nói chính xác cách thức các gen giúp thực vật tự bảo vệ mình.   Mặc dù nhóm nghiên cứu đã xác định được ba dòng ngô có khả năng kháng cả bốn loại bệnh nhưng sẽ phải mất một thời gian nữa người nông dân mới có thể mua được hạt giống ngô kháng nhiều bệnh nhờ nghiên cứu này. Đầu tiên, nhóm của Jamann sẽ lập bản đồ chi tiết các khu vực được nêu bật trong nghiên cứu này để tìm ra các tác động chính của những vùng gen kháng , sau đó chuyển thông tin đó cho các nhà lai tạo có thể phát triển các giống lai mới khỏe mạnh.   Bùi Anh Xuân theo của Đại học Illinois

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