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".

Tối đa hóa hiệu quả chọn lọc giống bắp bằng sàng lọc di truyền của cả hệ gen

 Tối đa hóa hiệu quả chọn lọc giống bắp bằng sàng lọc di truyền của cả hệ gen

Nguồn: Sikiru Adeniyi Atanda, Michael Olsen, Juan Burgueño, Jose Crossa, Daniel Dzidzienyo, Yoseph Beyene, Manje Gowda, Kate Dreher, Xuecai Zhang, Boddupalli M. Prasanna, Pangirayi Tongoona, Eric Yirenkyi Danquah, Gbadebo Olaoye & Kelly R. Robbins. 2021. Maximizing efficiency of genomic selection in CIMMYT’s tropical maize breeding program. Theoretical and Applied Genetics January 2021, vol. 134:279–294. 

Cơ sổ dữ lịệu của chương trình lai tạo giống bắp có thể được sử dụng một cách hiệu quả để cải tiến mức độ chính xác của sàng lọc hệ gen (genomic selection), đặc biệt là tập đoàn training set được tối ưu hóa thành những cá thể mang tính chất subset có nhiều thông tin di truyền nhất đối với tập đoàn target testing set. Chiến lược nghiên cứu hiện đại để nhà chọn giống thực hiện kỷ năng trên mức độ rộng về sàng lọc di truyền toàn bộ hệ gen (genomic selection: ký hiệu là GS), được thực hiện tại CIMMYT (International Maize and Wheat Improvement Center) bằng cách khảo sát những models sử dụng nguồn thông tin từ dòng con lai full-sibs theo bố trí thí nghiệm kiểu “test-half-predict-half approach.” Cho dù kết quả rất tốt, nhưng cách tiếp cận này cũng có những hạn chế nhất định, vì nó cần có những quần thể lớn full-sib và hạn chế khả năng  rút ngắn thời gian khảo nghiệm giống, rút ngắn thời gian của những thế hệ con lai. Mục tiên nghiên cứu là xác định kiểu bố trí thí nghiệm tối hảo và kiểu tập đoàn training tối hảo để tối đa hóa  giá trị chính xác trong dự đoán theo GS thuộc chương trình lai tạo giống bắp của CIMMYT. Tập đoàn training set (TS) được đánh giá để xác định sử dụng cơ sở dữ liệu kiểu hình sao cho đạt hiệu quả cao nhất đối với giá trị GP (genomic prediction) trên cơ sở dữ liệu bao gồm 849 (DS1) và 1389 (DS2) dòng đơn bội kép DH được đánh giá như thí nghiệm testcrosses vào năm 2017 và 2018, theo thứ tự. Có một kết quả tuyệt vời khi người ta sử dụng quần thể multiple bi-parental làm tập đoàn TS khi sàng lọc bằng các thuật toán để tối đa hóa các giá trị relatedness (từ họ hàng thân thuộc) giữa tập đoàn training và tập đoàn prediction. Theo chương trình cải tiến giống bắp này ở đó những thông tin số liệu trong quá khứ bị thất lạc hoặc không có đủ, người ta phải khai thác số liệu kiểu hình có trong quần thể bi-parental bằng cách chỉ đánh giá kiểu hình một số lượng nhỏ các dòng lấy ra từng mỗi quần thể con lai. Điều này đã cải thện đáng kể mức độ chính xác giá trị dự đoán so với phương pháp dự đoán trong cùng một quần thể (within-population prediction), đặc biệt khi tập đoàn TS dùng trong dự đoán full-sib có quy mô nhỏ. Cuối cùng, người ta chứng minh được giá trị chính xác của dự đoán dùng cho cả phương pháp sparse testing hoặc “test-half-predict-half” được cải thiện rất nhiều bằng cách tối ưu hóa những dòng con lai trồng ngoài ruộng để đánh giá kiểu hình, và dòng con lai chỉ được đánh giá kiểu gen để ghi nhận sự tiến bộ trên cơ sớ sàng lọc di truyền toàn bộ hệ gen GP. Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03696-9

 

Di truyền tính kháng bệnh cháy lá bắp ở châu Âu và Brazil

 Di truyền tính kháng bệnh cháy lá bắp ở châu Âu và Brazil

Nguồn: Ana L. Galiano-Carneiro, Bettina Kessel, Thomas Presterl & Thomas Miedaner. 2021.  Intercontinental trials reveal stable QTL for Northern corn leaf blight resistance in Europe and in Brazil. Theoretical and Applied Genetics January 2021; vol. 134:63–79

NCLB (Northern corn leaf blight) là bệnh có mức độ trầm trọng ở châu Âu, người ta khai thác nguồn gen cho tính kháng từ giống bắp Brazil nhằm tạo ra giống bắp cao sản kháng được bệnh NCLB mà ngân hành gen bắp châu Âu chưa tìm thấy. NCLB là pathogens chủ yếu trên cây bắp (Zea mays L.). Giống bắp cần phải có tính kháng phổ rộng và kháng ổn định với NCLB để thích ứng với điều kiện thâm canh và biến đổi khí hậu. Nguồn vật liệu di truyền từ Brazil là tài nguyên rất phong phú làm tăng tính kháng các giống bắp cao sản châu Âu, nhưng nguòi ta biết rất ít về ảnh hưởng của tương tác giữa kiểu gen và môi trường tại đây. Muốn nghiên cứu hiệu quả những donor đến từ Brazil về tính kháng với NCLB, người ta thực hiện kỹ thuật multi-parent QTL mapping, rồi đánh giá tiềm năng của chọn giống nhờ chỉ thị phân tử cũng như kỹ thuật genome-wide selection trong tập đoàn con lai bao gồm 742 dòng đơn bội kép từ quần thể F₁. Dòng này per se được khảo sát tại một địa điểm ở Brazil và sáu địa điểm ở châu Âu qua nhiều năm. Lai thử nghiệm (testcrosses) được đánh giá  tại hai địa điểm ở Brazil và 10 địa điểm ở châu Âu. Tích hợp số liệu lại, người ta xác định có 17 QTL điều khiển tính kháng NCLB giải thích được 3.57–30.98% biến thiên kiểu gen cho từng QTL. Hai QTL trong số ấy, được tìm thấy cả trong vật liệu Brazil và châu Âu, biểu hiện tính ổn định của những QTL này tại những môi trường canh tác khác nhau. Người quan sát thấy mức độ chính xác từ trung bình đến cao về giá trị dự đoán kiểu gen (genomic prediction) nằm trong quãng giá trị 0.58 - 0.83 tùy theo quần thể và châu lục. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng khả năng sử dụng nguồn gen kháng từ nhiệt đới làm gia tăng tính kháng NCLB cho các giống bắp châu Âu trong chương trình cải tiến giống là khả thi. Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03682-1

 

Nguyên nhân ngô phát triển hiệu quả hơn

 Nguyên nhân ngô phát triển hiệu quả hơn

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".