Tính linh hoạt của mô phỏng “genomic predictions” đối với hai chu kỳ lai giống bắp

 Tính linh hoạt của mô phỏng “genomic predictions” đối với hai chu kỳ lai giống bắp

Nguồn: Alizarine Lorenzi, Cyril Bauland, Sophie Pin, Delphine Madur, Valérie Combes, Carine Palaffre, Colin Guillaume, Gaëtan Touzy, Tristan Mary-Huard, Alain Charcosset & Laurence Moreau. 2024. Portability of genomic predictions trained on sparse factorial designs across two maize silage breeding cycles. Theoretical and Applied Genetics; March 2024; vol. 137; article 75

 

Người ta minh chứng được hiệu quả của “genomic predictions” (dự đoán hiệu quả di truyền) hiệu chỉnh trên tập đoàn giống bắp “sparse factorial training sets” để biết trước được thế hệ con lai kế tiếp và trắc nghiệm, các chiến lược khác nhau phục vụ cập nhật kết quả dự báo theo nhiều thế hệ con lai.

 

Sàng lọc di truyền thu nhận những triển vọng mới phục vụ nội dung kiểm tra lại sơ độ lai thông qua thay thế việc đánh giá kiểu hình tích cực của từng cá thể với số liệu dự đoán hiệu quả di truyền. Tìm ra được thiết kế lý tưởng phục vụ “training genomic prediction models” vẫn còn là câu hỏi chưa có lời đáp. Những nghiên cứu trước đây đã và đang biểu hiện triển vọng về khả năng dự báo thông qua thuật toán “sparse factorial” thay vì “tester-based training sets” để dự đoán được kết quả lai đơn trong cùng một thế hệ. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu tìm hiểu sâu hơn việc sử dụng thuật toán “factorials” và sự tối ưu hóa của cúng nhằm chọn dòng có khả năng phối hợp chung mong muốn (GCAs) và giá trị con lai thông qua các chu kỳ lai chọn. Điều đó dựa vào hai chu kỳ lai chọn của một sơ đồ sàng lọc di truyền lai nghịch đảo giống bắp bao gồm quần thể có nhiều bố mẹ (multiparental) kết hợp với quần thể lai nghịch đảo (reciprocal populations) từ tập đoạn bắp “flint” và tập đoàn bắp “dent”, nhóm bổ sung ưu thế lai được sàng lọc để hoàn tất “silage”. Chọn lọc trên cơ sở dự đoán hiệu quả di truyền chạy trên mô phỏng “factorial design” cho kết quả GA% tăng đáng kể (genetic gain: hiệu quả chọn lọc) đối với năng suất chất khô ở thế hệ mới. Kết quả khẳng định hiệu quả của thuật toán “sparse factorial training sets” cho biết dòng ứng cử viên về khả năng phối hợp cao GCAs và giá trị ưu thế lai qua các chu kỳ lai chọn. So với kết quả trước đây trên thế hệ thứ nhất, lợi thế của “factorial” hơn “tester training sets” biểu thị thấp hơn qua nhiều thế hệ. Cập nhật hóa “factorial training sets” bằng “adding single-cross hybrids” giữa dòng con lai được chọn từ thế hệ đầu tiên hoặc một subset ngẫu nhiên nào đó của con lai hybrids của thế hệ mới đã cải tiến được khả năng dự đoán rất nhiều. Giá trị “CDmean criterion” giúp nhà chọn giống xác định được tập đoàn của “single-crosses” (cặp lai đơn) để tiến hành đánh giá kiểu hình nhằm cập nhật “training set” một cách hiệu quả. Kết quả minh chứng tính hiệu quả của thuật toán “sparse factorial designs” trong việc điều chỉnh số liệu dự đoán hiệu quả di truyền của con lai trong thí nghiệm, chỉ ra rằng lợi ích của sự cập nhật theo từng thế hệ con lai.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04566-4

 

Sơ đồ những thay đổi về quy mô thử nghiệm trong chương trình nhân giống bắp.

Chất chuyển hóa đặc biệt từ rễ bắp làm giảm độc tố arsenic: “benzoxazinoids”

 Chất chuyển hóa đặc biệt từ rễ bắp làm giảm độc tố arsenic: “benzoxazinoids”

Nguồn: V Caggìa et al. 2024. Root-exuded specialized metabolites reduce arsenic toxicity in maize. PNAS March 26 2024; 121 (13) e2314261121

 

Các mức độ của độc tố arsenic trong đất có thể làm giảm năng suất cây trồng đáng kể. Ở đây, người ta công bố một cơ chế giảm giảm tích tụ arsenic và giảm độc tính của nó. Benzoxazinoids, một lớp có tính trội của chất biến dưỡng chuyên biệt (còn được gọi là chất biến dưỡng thứ cấp) được mễ cốc sản sinh ra ví dụ như lúa mì và bắp, chúng có thể làm giảm sự hấp thu arsenic và cải tiến hiệu suất thức vật trong nhà kính và trên đồng ruộng. Bên cạnh đó, sự tiết dịch benzoxazinoid vào đất làm tăng cường hiệu suất của những thế hệ con cháu của cây trong đất có nồng độ arsenic cao. Công trình nghiên cứu này mở rộng các chiến lược kháng trên cơ sở di truyền để ổn định năng suất cây trồng trong hệ sinh thái nông nghiệp bị ô nhiễm.

 

Nhờ giải phóng được các chất biến dưỡng chuyên biệt, cây cải thiện được môi trường của chúng. Liệu rằng và bằng cách nào những chất biến dưỡng bảo vệ được cây chống lại mức độ độc chất của nguyên tố vi lượng (trace elements) thì người ta chưa biết rõ. Tác giả đánh giá liệu rằng các benzoxazinoids, được phóng thích vào đất bằng những loài mễ cốc chính, có thể tạo hành lang bảo vệ độc tố arsenic hay không. Benzoxazinoid sản sinh từ cây bắp thực hiện tốt hơn trong đất bị nhiễm độc arsenic hơn các dòng đột biến thiếu benzoxazinoid theo kết quả xét nghiệm nhà kính và trên ruộng. Thêm benzoxazinoids vào đất khôi phục được tác dụng bảo vệ, và ảnh hưởng này còn kéo dài cho đến thế hệ cây con tiếp theo thông qua phản hồi tích cực của đất và cây. Mức độ arsenate trong đất và mức độ arsenic tổng số trong rễ đều thấp hơn khi có sự hiện diện của benzoxazinoids.

 

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2314261121

“Fine mapping” và phân tích gen ứng cử viên qSRC3 điều khiển màu râu bắp (Zea mays L.)

 “Fine mapping” và phân tích gen ứng cử viên qSRC3 điều khiển màu râu bắp (Zea mays L.)

Nguồn: Xueying Wang, Yang Zhou, Chong You, Jinchang Yang, Zhengjie Chen, Dengguo Tang, Jixing Ni, Peng Li, Le Wang, Kaili Zhu, Wujiao Deng, Haimei Wu, Ruifan Bao, Zhiqin Liu, Pengxu Meng, Sijia Yang, Tingzhao Rong & Jian Liu. 2024. Fine mapping and candidate gene analysis of qSRC3 controlling the silk color in maize (Zea mays L.). Theoretical and Applied Genetics; April 2024; vol. 137; article 90.

 

“Fine mapping” QTL qSRC3 trong hệ gen bắp, tương ứng với tính trạng màu sắc râu đỏ (red silk), người ta thấy gen ứng cử viên ZmMYB20 chưa được khám phá, nó mã hóa yếu tố phiên mã R2R3-MYB, biểu hiện một chút nhạy cảm, và điều hòa một cách giả định sự thể hiện của các gen  liên quan đến sinh tổng hợp anthocyanin.

 

Râu bắp không màu (colorless silk) là đặc điểm chính góp phần vào chất lượng quan sát bằng mắt trái bắp tươi (fresh corn) theo phân khúc thị trường. Tuy nhiên, việc xác định các loci theo di truyền Mendel và các gen liên quan điều khiển màu râu bắp rất ít. Theo nghiên cứu này, người ta sử dụng quần thể con lai F2 từ tổ hợp lai của dòng bắp “single-segment substitution” mang gen qSRC3MT1 với màu râu bắp đỏ, mang một alen du nhập từ bắp teosinte (Zea mays ssp. mexicana), lai với dòng bắp tái tục là dòng cận giao Mo17, có râu bắp màu xanh nhạt (green silk), rồi thực hiện “fine mapping”. Người ta thấy rằng: tính trạng râu bắp đỏ được điều khiển bởi một locus có tính chất “semi-dominant” được đặt tên là qSRC3, biểu hiện của gen này là nhạy cảm với điều kiện thiếu ánh sáng. Hơn nữa, qSRC3 giải thích được 68,78% biến thiên kiểu hình và được xác định trên vùng có độ lớn phân tử 133,2 kb, trong đó có tất cả 3 gen. Phân tích biểu hiện gen sau đó cho thấy gen ZmMYB20 (Zm00001d039700), mã hóa protein đóng vai yếu tố phiên mã R2R3-MYB, đây là gen ứng cử viên nặng ký trong qSRC3. Xét nghiệm “yeast one-hybrid and dual-luciferase reporter” cho kết quả minh chứng ZmMYB20 ức chế sự biểu hiện của 2 gen  cần thiết trong sinh tổng hợp anthocyanin, đó là gen ZmF3H và ZmUFGT, thông qua gắn trực tiếp với các vùng của promoter tương ứng. Kết quả rất có ý nghĩa của ZmMYB20 khi ánh sáng bị hạn chế (điều kiện trồng thiếu ánh sáng) trong việc điều tiết theo không gian và thời gian của sinh tổng hợp sắc tố anthocyanin. Những kết quả này giải thích được tính trạng râu bắp không màu trong trái bắp tươi, đáp lại quan niệm sai lầm trước đây rằng trái bắp non có râu bắp màu héo hắt là bắp không tươi, kết quả cung cấp nguồn di truyền giá trị để cải tiến giống bắp ngọt và giống bắp nếp.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04598-w

Microbacterium azadirachtae CNUC13 tăng cường tính chống chịu mặn trong cây bắp

 Microbacterium azadirachtae CNUC13 tăng cường tính chống chịu mặn trong cây bắp 

Nguồn: Huan Luo, Chaw Su Win, Dong Hoon Lee, Lin He, Jun Myoung Yu. 2024. Microbacterium azadirachtae CNUC13 Enhances Salt Tolerance in Maize by Modulating Osmotic and Oxidative Stress. Biology (Basel); 2024 Apr 7;13(4):244.doi: 10.3390/biology13040244.

 

Đất nhiễm mặn là một trong những mối đe dọađến hệ sinh thái toàn cầu, an ninh lương thực, và sản lượng nông sản. Vi khuẩn PGPRs (plant growth-promoting rhizobacteria) là những bioinoculants đầy tiềm năng đưa ra phương pháp tiếp cận thân thiện với môi trường nhằm thúc đẩy năng suất cây trồng trên vùng đất bị nhiễm mặn.Công trình khoa học ngày nay cho thấy chủng nòi vi khuẩn CNUC13 trong vùng rễ của cây bắp phát huy nhiều đặc điểm của vi khuẩn PGPR và tính cống chịu stress phi sinh học. Chủng nòi vi khẩn này chống chịu đến 1000 mM NaCl và 30% polyethylene glycol (PEG) 6000, biểu hiện các tính trạng PGP của cây (plant growth-promoting P), bao gồm việc sản sinh ra indole-3-acetic acid (IAA) và siderophore cũng như tính trạng phân giải lân hữu dụng. Phân tích di truyền huyết thống cho thấy chủng nòi CNUC13 từ vi khuẩn có tên khoa học Microbacterium azadirachtae. Cây bắp cho phơi nhiễm trong nghiệm thức mặn cao đã làm ra stress có tính chất “osmotic” (co dãn ngyên sinh) và tính chất “oxidative”, làm ức chế hạt bắp nẩy mầm, ức chế tăng trưởng, làm suy giảm các sắc tố quang hợp. Tuy nhiên, cây bắp non khi được chủng vi khuẩn thuộc chủng nòi CNUC13 cho kết quả cải tiến đáng kể tỷ lệ hạt nẩy mầm và tăng trưởng cây non trong nghiệm thức xử lý mặn. Đặc biệt, khi so sánh với đối chứng, cây bắp non có xử lý CNUC13 biểu hiện sự tăng lên sinh khối, đó là khối lượng chất tươi và hệ thống rễ phát triển. Xử lý CNUC13 cũng làm tăng các sắc to61quang hợp (diệp lục tố và carotenoids), làm giảm sự tích lũy osmotic (proline) và oxidative (hydrogen peroxide và malondialdehyde) là những chỉ thị của stress, ảnh hưởng tích cực  đến hoạt tính enzyme chống ô xi hóa (antioxidant) - đó là catalase, superoxide dismutase, và peroxidase). Theo đó, nghiệm thức xử lý CNUC13 làm giảm stress có tính ô xi hóa (oxidative) và làm tăng tính chịu mặn của cây bắp. Tóm lại, kết quả nghiên cứu này chứng minh rằng M. azadirachtae CNUC13 làm tăng đáng kể sự tắng trưởng của cây bắp non bị stress mặn thông qua sự cải tiến  hiệu quả quang hợp, các regulators điều tiết áp suất thẩm thấu, chống chịu stress “oxidative”, và hoạt tính enzyme “antioxidant”. Kết quả tập trung khả năng sử dụng M. azadirachtae CNUC13 như một bioinoculant (vật liệu sinh học chủng vào cây) để làm tăng tính chống chịu stress mặn của bắp, thân thiện với môi trường nhằm giảm thiểu được ảnh hưởng bất lợi của mặn và phát triển nông nghiệp bền vững.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38666856/

“Fine mapping” QTL chủ lực mang tên qshgd1 đối với tính trạng lưỡng bội tự phát từ đơn bội trong hệ gen cây bắp (Zea mays L.)

 “Fine mapping”  QTL chủ lực mang tên qshgd1 đối với tính trạng lưỡng bội tự phát từ đơn bội trong hệ gen cây bắp (Zea mays L.)

Nguồn: Tyler L. Foster, Monika Kloiber-Maitz, Laurine Gilles, Ursula K. Frei, Sarah Pfeffer, Yu-Ru Chen, Somak Dutta, Arun S. Seetharam, Matthew B. Hufford & Thomas Lübberstedt. 2024. Fine mapping of major QTL qshgd1 for spontaneous haploid genome doubling in maize (Zea mays L.).Theoretical and Applied Genetics; May 2024; volume 137; article 117

 

Một QTL có ảnh hưởng lớn được “fine mapped”, bao gồm 79 mô phỏng của gen đích, 10 gen ứng cử viên triển vọng, cùng với một sự kiện kiện “inversion” mới.

 

Trong chương trình lai bắp thương mại,công nghệ DH (đơn bội kép) được xem là nguồn vật liệu có hiệu quả nhất để có được dòng con lai hoàn toàn đồng hợp tử nhanh và mới. Tuy nhiên, chiến lược DH này, sử dụng kích hoạt ra đơn bội in vivo, hiện cần nhiều vật liệu đột biến (mutagenic agents) chúng không chỉ nguy hiểm mà còn tốn nhiều công sức. Công trình này tập trung phương pháp tiếp cận có tính chất thay thế để phát triển dòng DH  - SHGD sao chép bộ gen đơn bộ tự phát (spontaneous haploid genome duplication) thông qua HMF tự nhiên (restored haploid male fertility: phục hồi hữu thụ phấn hoa đơn bội). Dòng bắp cận giao A427 và Wf9, sao chép với mức HMF cao và sau đó là mức HMF thấp, được chọn để thực hiện chạy “fine-map” tại QTL có ảnh hưởng lớn gắn liền với SHGD—qshgd1. Các alen SHGD dẫn xuất từ A427, có các nhóm tái tổ hợp đơn bội mới biểu thị nhiều mức độ trên vùng nhiễm sắc thể A427 được phục hồi. Vùng nhiễm sắc thể này có độ lớn 45 megabases (Mb) cho thông tin di truyền trên nhiễm sắc thể 5. Sự khác biệt có ý nghĩa giữa nhóm tái tổ hợp đơn bội của HMF được xác định, biểu thị việc mapping QTL này rất gần mục tiêu hơn nhiều. Do ức chế của tái tổ hợp từ proximity của tâm động, và vùng đảo ngược mới được tìm thấy, cho nên,  QTL này chỉ giới hạn trong vùng 25 Mb, ở đó, chỏ có một recombinant đơn độc được quan sát trong ca. 9.000 cá thể cây BC1. Tuy nhiên, có tất cả 79 models của gen được xác định trong vùng 25 Mb này. Bên cạnh đó, có 10 gen ứng cử viên triển vọng, trên cơ sở phân tích RNA-seq data, được mô tả để đánh giá trong tương lai, trong khi đó, vùng genomic dưới nguồn khá hẹp có thể truy cập để du nhập thẳng và nguồn vật liệu bố mẹ ưu việt phục vụ cho phương pháp hồi giao (BC methods).

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04615-y

Kết quả nghiên cứu transcriptomics và metabolomics tìm ra gen đích điều khiển tính chống chịu khô hạn của cây bắp non

 Kết quả nghiên cứu transcriptomics và metabolomics tìm ra gen đích điều khiển tính chống chịu khô hạn của cây bắp non

Nguồn: Yipu Li, Zhijun Su, Yanan Lin, Zhenghan Xu, Haizhu Bao, Fugui Wang, Jian Liu, Shuping Hu, Zhigang Wang, Xiaofang Yu, Julin Gao. 2024. Utilizing transcriptomics and metabolomics to unravel key genes and metabolites of maize seedlings in response to drought stress. BMC Plant Biol.; 2024 Jan 8; 24(1):34. doi: 10.1186/s12870-023-04712-y.

 

Stress khô hạn là hạn chế tăng trưởng và năng suất bắp, sự ấm lân tòn cầu và tần suất gia tăng của khí hậu cực đoan là kết quả của sự mất năng suất nhiều hơn trong tương lai. Do vậy, hiểu biết cặn kẽ về cơ chế phân tử giúp chúng ta biết được phản ứng của cây đối với khô hạn là điều cần thiết cho cải tiến giống chống chịu.

 

Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành thí nghiệm cây bắp non, giai đọan 3 lá với 2 dòng cận giao, dòng chịu hạn (si287) và dòng mẩn cảm với khô hạn (X178), tất cả được xử lý stress khô hạn trong 7 ngày, thí nghiệm trong buồng cấy. Sau đó, người ta đo lường các tính trạng sinh lý, rồi phân tích phổ biểu hiện transcriptomic và metabolic của 2 dòng bắp cận giao ấy. Kết quả phân tích KEGG của gen và chất biến dưỡng (metabolites) cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê trong lộ trình liên quan đến glycolysis/gluconeogenesis, sinh tổng hợp flavonoid, biến dưỡng tinh bột, biến dưỡng sucrose, sinh tổng hợp amino acids. Bên cạnh đó, kết quả phân tích tổng hợp xác định được proline, tryptophan và phenylalanine là những amino acids thiết yếu để bắp phản ứng với stress khô hạn. Hơn nữa, người ta tập trung xem xét tryptophan (Trp), nó làm tăng cường tính chống chịu thông qua tín hiệu IAA-ABA, cũng như SA và nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) là kết quả lấy ra gốc ô xi tự do ROS (reactive oxygen species). Người ta xác định được ba “hub genes” trong sinh tổng hợp tryptophan, indole-3-acetaldehyde oxidase (ZmAO1, 542,228), catalase 1 (ZmCAT1, 542,369), và flavin-containing monooxygenase 6 (ZmYUC6, 103,629,142), Biểu hiện cao của những gen này đóng vai trò quan trọng trong điều tiết chống chịu khô hạn. Hai chất biến dưỡng liên quan đến tổng hợp tryptophan, quinolinic acid, và kynurenine cải tiến được tính chống chịu hạn của cây bắp thông qua lấy ra gốc ô xi tự do.

 

Nghiên cứu này làm rõ cơ chế giải thích được phản ứng của cây bắp non đối với stress khô hạn. Đặc biệt là xác định được những gen ứng cử viên và chất biến dưỡng, làm giàu kiến thức của chúng ta về vai trò của tryptophan đối với stress mặn. Việc xác định các biến dưỡng khác nhau về tính kháng trong những dòng bắp cận giao sẽ giúp chúng ta dễ dàng hơn trong khai thác nguồn gen cây bắp và cải tiến giống bắp lai chống chịu hạn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38185653/

Kết hợp lập bản đồ QTL và GWAS để tìm gen đích điều khiển tính trạng số lá bao cùi bắp (maize husk)

 Kết hợp lập bản đồ QTL và GWAS để tìm gen đích điều khiển tính trạng số lá bao cùi bắp (maize husk)

Nguồn: Zhenjuan Liang, Na Xi, Tao Liu, Minglin Li, Mengxiang Sang, Chaoying Zou, Zhong Chen, Guangsheng Yuan, Guangtang Pan, Langlang Ma & Yaou Shen. 2024. A combination of QTL mapping and genome-wide association study revealed the key gene for husk number in maize. Theoretical and Applied Genetics; May 2024; vol.137; article 112

 

Hình: Lá bao cùi bắp (maize husk).

 

Hai gen đích Zm00001d021232 và Zm00001d048138 được phân lập thành công nhờ bản đồ di truyền QTL và phân tích GWAS. Bên cạnh đó, hai gen này được minh chứng về sự liên quan đáng kể đến tính trạng HN, số lá bao cùi bắp (maize husk number) thông qua kỹ thuật “gene-based association” (kiểu hình kết hợp trên cơ sở gen).

 

Là phụ phẩm của cây bắp, lá bao cùi bắp là nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp. Số lá bao cùi bắp (HN) là tính trạng nông học quan trọngảnh hưởng đến năng suất lá bao. Tuy nhiên, cơ chế di truyền của tính trạng HN chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu này phân tích 13 QTLsdiều khiển tính trạng HN thông quan quần thể IBM Syn 10 DH (đơn bội kép) tại nhiều địa điểm khác nhau. Trong đó, ba QTL được tìm thấy có tính chất lập lại trong cá thể ở ít nhất 2 địa điểm. Như vậy, người ta tìm thấy 26 chỉ thị phân tử SNPs độc nhất liên kết có ý nghĩa thống kê (p < 2.15 × 10–6) với tính trạng HN theo “association pool”. Trong các SNPs, có 3 markers được tìm thấy cùng một lúc qua nhiều địa điểm hoặc môi trường khác nhau và ghi nhận được giá trị dự đoán BLUP (best linear unbiased prediction). Người ta tập trung xem xét các loci này phải ổn định theo môi trường và có đặc điểm chung nhất trong quần thể để khai thác gen ứng cử viên có chức năng đối với tính trạng HN. Cuối cùng có 173 gen ứng cử viên được xác định, trong đó, 22 gen ứng cử viên có trong cả phát triển cơ quan đa bào và đơn bào, kế tiếp, người ta xác định được gen ứng cử viên của tính trạng HN. Phân tích “gene-based association” cho thấy các biến thể di truyền này trong bốn gen tương quan có ý nghĩa (p < 0.01/N) với HN, trong số đó, gen Zm00001d021232 và Zm00001d048138 biểu hiện mạnh mẽ nhất trong lá bao cùi bắp và râu bắp ở giai đoạn phát triển sớm tại nhiều mô khác nhau. Kết quả nghiên cứu góp phần giải thích cơ chế di truyền phân tử của lá vỏ bao cùi bắp phục vụ công nghiệp trong tương lai.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04617-w