GWAS và đa dạng di truyền cây bắp nhờ đột biến mất đoạn

 GWAS và đa dạng di truyền cây bắp nhờ đột biến mất đoạn

Nguồn:Xiao Zhang, Yonghui Zhu, Karl A. G. Kremling, M. Cinta Romay, Robert Bukowski, Qi Sun, Shibin Gao, Edward S. Buckler & Fei Lu. 2022. Genome-wide analysis of deletions in maize population reveals abundant genetic diversity and functional impact. Theoretical and Applied Genetics; January 2022, vol. 135: 273–290

 

Hai phương pháp read depth được kết nối trong cơ sở dữ liệu NGS (next-generation sequencing: giải trình tự thế hệ mới) để xác định các đột biến mất đoạn trong hệ gen cây bắp đã được tiến hành trong nghiên cứu này. GWAS được phân tích thông qua đột biến mất đoạn (deletions) trên cơ sở biểu hiện gen và kiểu hình các tính trạng kinh điển, theo thứ tự.

 

Nhiều nghiên cứu đã đang khẳng định rằng biến thiên di truyền mang tính chất cấu trúc (SV: strutural variation) có ở khắp nơi trong hệ gen cây bắp. Đột biến mất đoạn là một kiểu hình của SV có tác động đến biểu hiện gen và gây ra những thay đổi kiểu hình của các tính trạng số lượng. Trong nghiên cứu này, người ta tiếp cận hai phương pháp “read count” để phân tích những deletions trong toàn bộ dữ liệu của trình tự DNA hệ gen của 270 dòng bắp cận giao. Có tất cả 19.754 deletion windows chồng lấp trên 12.751 gen, những gen này phố bố không đều trong hệ gen cây bắp. Những deletions như vậy đã giải thích được kiến trúc của quần thể khá rõ và tương quan với những đặc điểm của hệ gen. Phân bố tần suất đột biến mất đoạn của các gen đã được người ta xác định có tương quan nghịch với sự biểu hiện gen. phát hiện ra biểu hiện gen eQTL chỉ ra rằng  local eQTL có ít hơn nhưng có ảnh hưởng lớn hơn một gen nào đó ở cách xa chúng. Những gen có liên quan gắn với tiến trình biến dưỡng cơ bản, trong khi đó, những gen liên quan có tính chất đặc thù với  eQTL đóng vai trò quan trọng trong phản ứng với stress hoặc tác nhân kích thích (stimulus responses) ở mô tế bào. So sánh với eQTL được tìm thấy nhờ chỉ thị SNPs từ cùng cơ sổ dữ liệu trình tự DNA, có 89.4% associated genes có thể được tìm thấy bởi cả hai markers. Ảnh hưởng của những eQTL hàng đầu được tìm thấy nhờ SNPs được người ta sử dụng nhiều hơn các eQTL đối với cùng gen. GWAS  xem xét thời gian trổ bông và chiều cao cây cho thấy: chỉ có một vài loci có thể được tìm thấy bởi chỉ thị SNPs, kết gắn với đột biến mất đoạn và SNP thông qua kết quả GWAS; đây là một chiến lược xuất sắc để nghiên cứu kiến trúc tính trạng. Kết quả này cung cấp nhận thức mới trong chức năng định tính và chức năng sinh học của  pp  genome-wide deletions của hệ gen cây bắp.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03965-1

 

Protein dự trữ trong giai đoạn tăng trưởng của cây bắp

 Protein dự trữ trong giai đoạn tăng trưởng của cây bắp

Nguồn:Hari K R Abbaraju, Rajeev Gupta, Laura M Appenzeller, Lynne P Fallis, Jan Hazebroek, Genhai Zhu, Timothy M Bourett, Richard J Howard, Ben Weers, Renee H Lafitte, Salim M Hakimi, Jeffery R Schussler, Dale F Loussaert, Jeffery E Habben, Kanwarpal S Dhugga. 2022. A vegetative storage protein improves drought tolerance in maize.

Plant Biotechnol J.; 2022 Feb;20(2):374-389.; doi: 10.1111/pbi.13720. 

 

VSP được viết tắt từ thuật ngữ Vegetative storage proteins được hiểu như là cách thức dự trữ nitrogen trong nhiều loài thực vật song tử diệp và chưa được người ta biết nhiều trên loài cây trồng Hòa Bản, cây trồng đang chiếm diện tích lớn nhất trên quả đất. Người ta phân lập và định tính VSP trong hệ gen cây bắp, chứng minh được rằng sự biểu hiện mạnh mẽ của nó trong sự kiện bắp chống chịu khô hạn. Sự cung ứng thêm nitrogen kích hoạt lipoxygenase (ZmLOX6) ở nhu mô diệp nhục, định hướng đến lục lạp (chloroplasts) thông qua một N-terminal transit peptide mới có tất cả 62 amino acids. Khi sự biểu lệch có tính lệch lạc, trong điều kiện các nghiệm thức được kiểm soát thống nhất, nhất là các promoter chuyên biệt với mô, nó tích lũy mức độ gấp 5 lần cao hơn biểu hiện ở tế bào diệp nhục (mesophyll cells) so với cây nguyên thủy (wild-type). Sự biểu hiện có tính chất nguyên tắc hoặc biểu hiện có tính chất đích đến (targeted expression) đặc biệt ở các tế bào bó mạch làm tăng sự tích tụ bởi ít hơn hai lần. ZmLOX6 biểu hiện mạnh mẽ được di dộng một lần nữa từ lá giống như các protein chính trong suốt gia đoạn phát triển hạt bắp. Kết quả đánh giá nhiều năm ở ngoài đồng, nhiều địa điểm, những dòng con lai transgenic biểu hiện mạnh mẽ ZmLOX6 trong ết bào diệp nhục cho năng suất cao hớn đáng kể so với  dòng sibs không phải chuyển nạp gen trong điều kiện stress khô hạn khi bắp trổ bông. Sự dự trữ bổ sung của nitrogen như VSP trong lá bắp cải thiện được ảnh hưởng của khô hạn của giống bắp cao sản hạt chắc.

 

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34614273/

 

Di truyền tình chống chịu khô hạn của cây bắp ở giai đoạn cây con và giai đoạn trổ

 Di truyền tình chống chịu khô hạn của cây bắp ở giai đoạn cây con và giai đoạn trổ

Nguồn: Xuejing Zi, Shiyong Zhou, Bozhi Wu. 2022. Alpha-Linolenic Acid Mediates Diverse Drought Responses in Maize ( Zea mays L.) at Seedling and Flowering Stages. Molecules; 2022 Jan 25;27(3):771.  

 

Thiếu nước cho cây là vấn nạn của hạn hán kéo dài, một trong những stress phi sinh học nghiêm trọng nhất cho cây bắp. Các loại hình khô hạn khác nhau đều gây cho cây bắp hết sức khó khăn trong tăng trưởng và phát triển cũng như cơ chế biến dưỡng thực vật. Trong những nghiên cứu trước đó, proteomics và genomics được ứng dụng rộng rải để giải thích cơ chế phản ứng của cây bắp đối với khộ hạn kéo dài, nhưng chỉ có rất ít công trình khoa học liên quan đến metabolomics (biến dưỡng học). Kết quả nghiên cứu này tiến hành phân tích transcriptome và metabolomics để định tính những ảnh hưởng khác biệt đặc thù của stress khô hạn ở giai đoạn cây con (seedling) hoặc giai đoạn trổ bông (flowering). Thông qua phân tích di truyền “association” của gen đích và cơ chất biến dưỡng (metabolites), người ta thấy rằng: lá bắp có 61 chu trình biến dưỡng rất phong phú khi khô hạn ở giai đoạn cây con và và 54 chu trình ở giai đoạn trổ. Trong đó, 13 chu trình là key pathways ở gđ seedling và 11 chu trình ở gđ flowering, hầu hết có liên quan đến sinh tổng hợp flavonoids và phenylpropanes, biến dưỡng glutathione metabolism và purine. Thú vị là, chu trình biến dưỡng α-linolenic acid khác biệt có ý nghĩa  giữa hai nghiệm thức, có 10 gen DEGs (differentially expressed genes) và 5 cơ chất biến dưỡng DAM (differentially abundant metabolites) được người ta phân lập. Sự tích tụ có tính chất khác biệt đặc thù của cơ chất biến dưỡng DAM (differential accumulation of metabolites) được gắn liền với sự tổng hợp jasmonic acid, đây có thể là một trong những key pathways giúp cây bắp phản ứng với nhiều loại hình khô hạn kéo dài. Nhìn chung, metabolomics cung cấp cho chúng ta một phương pháp mới để nghiên cúu stress khô hạn trong cây bắp và đặt nền tảng lý thuyết về canh tác kháng khô hạn của cây bắp.

 

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35164035/

 

GWAS tính trạng chống chịu khô hạn và chịu nóng của cây bắp

 GWAS tính trạng chống chịu khô hạn và chịu nóng của cây bắp

Nguồn: Osuman AS, Badu-Apraku B, Karikari B, Ifie BE, Tongoona P, Danquah EY. 2022. Genome-Wide Association Study Reveals Genetic Architecture and Candidate Genes for Yield and Related Traits under Terminal Drought, Combined Heat and Drought in Tropical Maize Germplasm. Genes (Basel). 2022 Feb 15;13(2): 349. doi: 10.3390/genes13020349.

 

Sản xuất bắp (Zea mays L.) có hai trở ngại lớn là khô hạn và nhiệt độ nóng. Sự kết hợp của hai loại hình stress này ngày càng nghiêm trọng. Để chọn tạo giống bắp cao sản có khả năng chống chịu khô hạn và nóng, người ta nghiên cứu 162 mẫu giống bắp cận giao ở nhiệt đới trong nghiệm thức xử lý kết hợp khô hạn và nóng (CHD), và nghiệm thức khô hạn ở gia đoạn cuối (TD). Mô phỏng toán học đa tuyến (mixed linear) được ứng dụng trong GWAS (genome-wide association study), với 7834 chỉ thị SNP và nhiều cơ sở dữ liệu kiểu hình, bao gồm ngày tung phấn 50% (AD) và trổ râu (SD), husk cover (HUSKC), năng suất hạt (GY). Nhìn chung, số chỉ thị SNP là 66, 27, và 24 liên quan đến các tính trạng, theo thứ tự đánh giá trên nghiệm thức CHD, TD, và nghiệm thức kết hợp. Trong số các chỉ thị ấy, 4 SNP markers (SNP_161703060 trên Chr01, SNP_196800695 trên Chr02, SNP_195454836 trên Chr05, và SNP_51772182 trên Chr07) ảnh ảnh hưởng di truyền đa tính trạng (pleiotropic effects) đối với AD và SD trong nghiệm thức CHD. Bốn chỉ thị SNPs (SNP_138825271 (Chr03), SNP_244895453 (Chr04), SNP_168561609 (Chr05), và SNP_62970998 (Chr06)) liên quan đến AD, SD, và HUSKC trong nghiệm thức TD. Mười hai gen ứng cử viên bao gồm những nguyên tố điều tiết phytohormone cis-acting được chỉ rõ trong sữ kiện điều tiết phản ứng của cây bắp với stress có tính chất đa dạng bao gồm nóng và khô hạn. Các chỉ thị SNPs này và các gen ứng cử viên được người ta xác định trong kết quả nghiên cứu. Tất cả sẽ cung cấp thông tin có giá trị phục vụ tạo giống bắp cao sản, thông minh phát triển vùng nhiệt đới theo sau những minh chứng bởi chỉ thị SNP markers.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35205393/