Hình dạng chồi mầm quyết định quá trình chuyển đổi “chồi thân-căn hành”của loài lúa hoang đa niên châu Phi Oryza longistaminata

Hình dạng chồi mầm quyết định quá trình chuyển đổi “chồi thân-căn hành”của loài lúa hoang đa niên châu Phi Oryza longistaminata

Nguồn: Kai Wang, Yufei Lu, Suwen Jing, Ru Yang, Xianjie Xu, Yourong Fan & Jiangyi Yang. 2024. Bud shapes dictate tiller–rhizome transition in African perennial rice (Oryza longistaminata). Theoretical and Applied Genetics; August 2024; vol. 137; article 194

 

Việc hình thành “rhizome” (rễ ngầm, căn hành) của loài lúa hoang Oryza longistaminata tùy thuộc vào “bud shape” (hình dạng chồi mầm). Các loci qBS3.1, qBS3.2 và qBS3.3 điều khiển sự hình thành rhizome có chức năng khá phong phú trong nền di truyền của Oryza longistaminata .

 

Căn hành (rhizome), thân ngầm mọc dưới đất như rễ, là cơ quan rất quan trọng đối với cỏ Hòa thảo để thực hiện đặc điểm tăng trưởng kiểu đa niên. Loài lúa hoang Oryza longistaminata, là loài hoang dại có tính chất “rhizomatous” (tạo ra căn hành) thuộc chi Oryza, có cùng hệ gen AA với loài lúa trồng AA. Đây là loài lúa hoang có nguồn di truyền quan trọng để phát triển cây lúa đa niên. Kết quả nghiên cứu cho thấy: sự hình thành rhizome của loài lúa O. longistaminata tùy thuộc vào dạng hình của chồi mầm (bud shape). Đó là kiểu hình “dome- like axillary bud” (dome bud) thường mọc xuyên qua bẹ lá, rồi phát triển thành rhizome (phân nhánh kiểu extravaginal), nhưng flat axillary bud (chồi nách phẳng: flat bud) được bao lại bởi bẹ lá lúa chỉ phát triển thành chồi thân (phân nhánh kiểu intravaginal). Những loci di truyền (QTL) điểu khiển tính trạng “bud shape” (BS) được lập bản đồ thông qua đánh giá kiểu gen quần thể con lai (F2) từ cặp lai O. longistaminata với giống lúa Balilla (Oryza sativa); rồi thực hiện phương pháp “selective genotyping mapping” trên quần thể con lai BC1F2 của hồi giao F1 với Balilla. Có tất cả 12 loci được xác định, bao gồm bốn QTL có ảnh hưởng chính: qBS2, qBS3.1, qBS3.2 và qBS3.3, hệ thống di truyền của 12 loci này được lập nên để nghiên cứu. Kiểu hình “dome bud” mất khả năng phát triển ra “rhizome” với sự gia tăng trong các thế hệ hồi giao theo nền tảng di truyền của giống Balilla. Xem xét sự mất nhanh “rhizome” trong nền tảng di truyền của Balilla, người ta làm ra quần thể gần như đẳng gen (NILs: near-isogenic lines) trên nền tảng di truyền của O. longistaminata, để xác định ảnh hưởng của những loci chủ yếu. Theo quần thể con lai BC3F2, BC4F2 và BC5F2 của nền tảng di truyền O. longistaminata, có nhiều gen chức năng được tìm thấy xung quanh qBS3.1, qBS3.2 và qBS3.3. Kết quả này cung cấp cách nhìn mới để phân tích cơ sở di truyền của đặc điểm cây đa niên (perenniality) và đặt nền móng cho thực hiện “fine mapping” cũng như minh chứng các gen có liên quan.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04699-6

Cải tiến giống lúa kháng thuốc cỏ qua tiến hóa nhân tạo

 Cải tiến giống lúa kháng thuốc cỏ qua tiến hóa nhân tạo

Nguồn: Jin Dong, Xin-He Yu, Jiangqing Dong, Gao-Hua Wang, Xin-Long Wang, Da-Wei Wang, Yao Chao Yan, Han Xiao, Bao Qin Ye, Hong Yan Lin, and Guang Fu Yang. 2024. An artificially evolved gene for herbicide-resistant rice breeding. PNAS August 12, 2024; 121 (34) e2407285121

 

Sự khám phá và kỹ thuật di truyền gen kháng thuốc cỏ biểu trưng cho ranh giới cực trọng của chọn giống hiện đại. Người ta tập trung vào làm sáng tỏ các cơ chế phức tạp, đặc biệt là trong họ protein rất thịnh hành là 4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Inhibitor Sensitive 1-Like (HSL). Kiến trúcprotein của HSLs vô cùng phức tạp với nhiều thuốc cỏ khác nhau không những chỉ tìm thấy cách thức gắn kết ban đầu của cơ chất trong HSLs, mà còn giải thích được tính chọn lọc Biểu thị bản chất xúc tác của một vào thành viện của họ HSL. Từ những cấu trúc protein, người ta xác định được bốn residues rất cực trọng phục vụ hoạt động xúc tác. Khai thác phương pháp tiến hóa nhân tạo, những residues này được đột biến tạo ra kết quả làm tăng đáng kể tính kháng với thuốc cỏ gốc β-triketone của cây lúa. Kết quả này không những làm sáng tỏ cơ chế xúc tác của HSLs kháng lại thuốc cỏ, mà còn cung cấp một con đường đầy hứa hẹn cho phát triển giống cầy trồng kháng thuốc cỏ.

 

Khám phá và thao tác kỹ thuật di truyền gen kháng thuốc cỏ là một thách thức cực kỳ trong cải tiến giống cây trồng. Nghiên cứu đã tập trung vào protein  4-hydroxyphenylpyruvate dioxygenase Inhibitor Sensitive 1-Like (HSL), phổ biến ở thực vật bậc cao và biểu hiện hoạt tính xúc tác yếu đối với nhiều thuốc cỏ gốc β-triketone (β-THs). Cấu trúc tinh thể của protein HSL1A trong cây bắp rất phức tạp với β-THs đã được minh chứng rồi, xác định được 4 residues gắn kết với thốc cỏ và giải thích được hoạt tính yếu của HSL1A khi phản ứng với thuốc cỏ. Sử dụng phương pháp tiến hóa nhân tạo, người ta đã phát triển một loạt các dòng lúa đột biến HSL1 nhằm vào 4 residues này. Sau đó, các dòng đột biến ấy được đánh giá có hệ thống, xác định được những biến thể M10 có hiệu quả nhất trong cải biên β-THs. Cấu hình hoạt động ban đầu của cơ chất gắn với HSL1 cũng được tìm thấy trong những dòng đột biến này. Hơn nữa, sự biểu hiện mạnh mẽ của dòng lúa M10 làm tăng lên tính kháng có ý nghĩa  đối với β-THs, dẫn đến kết quả gia tăng gấp 32 lần (folds) làm tăng tính kháng với methyl-benquitrione. Kết luận, gen tiến hóa nhân tạo M10 có tiềm năng lớn để phát triển giống lúa kháng thuốc cỏ.

 

Xem https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2407285121

Tìm kiếm nguồn QTL điều khiển tính chống chịu lân thấp của cây bắp thông qua “deep resequencing” các dòng con lai RIL và phân tích in silico GWAS

Tìm kiếm nguồn QTL điều khiển tính chống chịu lân thấp của cây bắp thông qua “deep resequencing” các dòng con lai RIL và phân tích in silico GWAS

Nguồn: Bowen Luo, Peng Ma, Chong Zhang, Xiao Zhang, Jing Li, Junchi Ma, Zheng Han, Shuhao Zhang, Ting Yu, Guidi Zhang, Hongkai Zhang, Haiying Zhang, Binyang Li, Jia Guo, Ping Ge, Yuzhou Lan, Dan Liu, Ling Wu, Duojiang Gao, Shiqiang Gao, Shunzong Su & Shibin Gao. 2024. Mining for QTL controlling maize low-phosphorus response genes combined with deep resequencing of RIL parental genomes and in silico GWAS analysis. Theoretical and Applied Genetics; August 2024; vol.137; article 190    

Cơ sở dữ liệu kiểu hình đầy đủ và phát triển lấy từ quần thể con lai cận giao tái tổ hợp (RIL) của cây bắp trong nghiệm thức xử lý thiếu P và P bình thường được tiến hành nhằm nghiên cứu bản đồ di truyền QTL. Bên cạnh đó, người ta tích hợp dữ liệu “resequencing” của bố mẹ làm ra quần thể RIL ấy. Kết quả GWAS và dữ liệu phiên mã (transcriptome data) nhằm xác định các gen ứng cử viên cũng được ghi nhận trong nghiệm thức “low-Pi stress” của bắp.

 

Phosphorus (Pi) là một trong đại dưỡng chất tác động chính đến năng suất bắp. Tuy nhiên, gen  cơ bản trong QTL điều khiển phản ứng của cây bắp với “low-Pi” vẫn còn chưa được biết đầy đủ. Theo kết quả nghiên cứu này, kiểu hình của 38 tính trạng ở giai đoạn cây non và cây trưởng thành được người ta đánh giá trong nghiệm thức “low-Pi” và nghiệm thức “normal-Pi” từ quần thể con lai RIL dẫn xuất từ tổ hợp lai X178 (chống chịu thiếu P) và 9782 (nhiễm thiếu P). Hầu hết tính trạng biến thiên có ý nghĩa giữa 2 nghiệm thức low-Pi và normal-Pi. Hai mươi chín QTLs được phân  lập trong điều kiện low-Pi sau khi người ta loại trừ bớt trong quãng phân tử chứa gen đích  dưới 2 nghiệm thức low-Pi và normal-Pi. Hơn nữa, 45 QTLs bổ sung được phân lập thành công trên cơ sở giá trị “index” ((Trait_under_LowPi–Trait_under_NormalPi)/Trait_under_NormalPi) đối với mỗi tính trạng. Tổng số 74 QTLs này được chia ra thành những “Pi-dependent QTLs”. Bên cạnh, có 39 “Pi-dependent QTLs” được xếp vào cluster di truyền trong 9 “HotspotQTLs”. Quãng phân tử “Pi-dependent QTL” mang 19.613 gen có tính chất độc nhất (unique genes), 6.999 gen trong số đó biểu hiện khác biệt trình tự DNA với các vị trí đột biến có tính chất “non-synonymous” (không đồng dạng) giữa giống X178 và giống 9782. Tổng hợp kết quả GWAS in silico, có 277 gen ứng cử viên được phân lập, với 124 gen định vị trong vùng “HotspotQTL”. Kết quả phân tích transcriptome cho thấy có 21 gen biểu hiện, bao gồm gen “Pi transporter ZmPT7”  và gen có liên quan đến lộ trình strigolactones, ZmPDR1, biểu hiện trong phản ứng với thiếu lân một cách nhất quán trong những dòng bắp cận giao hoặc những mô tế bào. Điều đáng chú ý là ZmPDR1 trong rễ bắp có thể được điều tiết mạnh mẽ theo kiểu “up” bởi stress thiếu lân, cho thấy tầm quan trọng của khả năng ấy như một gen ứng cử viên phản ứng với “low-Pi stress” thông qua lộ trình strigolactones.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04696-9

Knockout gen OsWOX13 làm kéo dài ngày trổ bông lúa khi ngày dài

 Knockout gen OsWOX13 làm kéo dài ngày trổ bông lúa khi ngày dài

Nguồn: Yeon-Ki Kim. 2024. Knockout of OsWOX13 Moderately Delays Flowering in Rice under Natural Long-Day Conditions. Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry, 20 August 2024, zbae115;

https://doi.org/10.1093/bbb/zbae115

 

Thực vật rất nhạy cảm với quang kỳ, được phân nhóm với các hệ thống nhằm điếu tiết thở gian lúa trổ bông đáp ứng với thay đổi ngoại cảnh và các hormones phát triển. Trong nghiên cứu trước đây, người ta đã tạo ra được sự biểu hiện mạnh mẽ của gen OsWOX13  (OsWOX13-ov) và gen OsWOX13 knockout (oswox13-ko) thông qua hệ thống Cas9-CRISPR  giúp lúa trổ sớ hơn 10 ngày, trổ trể hơn 4 - 6 ngày so với dòng lúa nguyên thủy WT, theo thứ tự. Kết quả phân tích qRT‒PCR cho thấy OsWOX13 có khả năng phản ứng với stress khô hạn nhờ cơ chế thoát hạt (drought escape: DE) thông qua truyền tín hiệu b-ZIP TRANSCRIPTION FACTOR 23 (OsbZIP23) trong giai đoạn lúa trổ bông thông qua các gen co chức năng truyền tín hiệu quang chu kỳ, ví dụ như grain number, plant height and heading date (Ghd7), EARLY HEADING DATE 1 (Ehd1), RICE FLOWERING LOCUS T 1 (RFT1), Heading date 3a (Hd3a) và MADS14. Nghiên cứu trong tương lai về gen OsWOX13 có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về cây lúa: làm thế nào điều tiết ngày trổ bông theo các điều kiện bị stress và làm thế nào OsWOX13 có thể điều khiển một cách chính xác để có được năng suất tối đa trong chương trình cải tiến giống lúa.

 

https://academic.oup.com/bbb/advance- article/doi/10.1093/bbb/zbae115/7737669?login=false

 

Gen OsWOX13 bị knocked out thông qua hệ thống CRISPR/Cas9, tạo ra dòng đột biến oswox13-ko làm trì hoản ngày trổ bông dưới điều kiện ngày dài trong tự nhiên.

Multiomics và phân lập gen liên quan đến tính trạng GI thấp protein cao của hạt gạo

 Multiomics và phân lập gen liên quan đến tính trạng GI thấp protein cao của hạt gạo

Nguồn: Saurabh Badoni, Erstelle A Pasion-Uy, Sakshi Kor, Sung-Ryul Kim, Rhowell N Tiozon Jr, Gopal Misra, Reuben James Q Buenafe, Luster May Labarga, Ana Rose Ramos-Castrosanto, Vipin Pratap, Inez Slamet-Loedin, Julia von Steimker, Saleh Alseekh, Alisdair R Fernie, Ajay Kohli, Gurudev S Khush, Nese Sreenivasulu. 2024. Multiomics of a rice population identifies genes and genomic regions that bestow low glycemic index and high protein content. PNAS; 2024 Sep 3; 121(36):e2410598121. doi:10.1073/pnas.2410598121.

 

Cùng với những nỗ lực nhằm chiến đấu với các tác động nhiều mặt của khiếm dưỡng, người ta rất cần có giống lúa thân thiên với bệnh nhân đái tháo đường, giống lúa giúp người ta khỏe hơn nhằm giải quyết sự hoành hành của bệnh tiểu đường trên qui mô toàn thế giới. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành phân tích di truyền các dòng cận giao tái tổ hợp (RILs) với tính trạng glycemic index (GI) thấp biểu hiện  “ultralow đến low” GI trong gạo và hàm lượng protein cơm cao (PC cao), thông qua tổ hợp lai Samba Mahsuri x IR36. Người ta tiến hành nghiên cứu genomics một cách toàn diện và nghiên cứu biến dưỡng bổ sung bởi những phân tích có tính mô phỏng để nhấn mạnh tầm quan trọng của gen OsSBEIIb và các gen ứng cử viên khác, chúng có biến dị di truyền khá rộng cho phép người ta tạo ra các dòng lúa theo ý muốn có GI thấp hơn và PC cao hơn trong giống lúa cao sản. Những dòng lúa này đặc trưng cho nguồn vật liệu bố mẹ phục vụ lai tạo nhắm đến mục tiêy an toàn lương thực và dinh dưỡng.

 

Để chống lại hiện tượng bệnh nhân tiểu được ngày càng tăng và đáp ứng nhu cầu protein trong thức ăn hàng ngày, người ta sáng tạo ra dòng lúa có glycemic index (GI) thấp và hàm lượng protein (PC) cao vượt 14%. Phát triển các dòng con lai RILs dẫn xuất từ cặp lai Samba Mahsuri x IR36 amylose extender (IR36ae) làm nguồn vật liệu lai, người ta xác định được những QTLs và gen đích liên quan đến tính trạng “low GI”, “high amylose content” (AC), và “high PC”. Tích hợp các phương pháp di truyền học với những mô phỏng kinh điển, phương pháp tiếp cận toàn diện này đã xác định được những gen ứng cứ viên định vị trên nhiễm sắc thể 2 (qGI2.1/qAC2.1 nằm trong vùng có độ lớn phân tử 18.62 Mb - 19.95 Mb), ảnh hưởng đến tính trạng “low GI” và “high amylose”. Đáng chú ý là, biến thể về kiểu hình với giá trị cao gắn với alen lặn điều khiển tính trạng starch branching enzyme 2b (sbeIIb). Dòng lúa mang gen sbeIIb được chỉnh sửa xác định kiểu hình GI thấp trong hạt gạo. Hơn nữa, những phối hợp giữa các alen được tạo ra thông qua các chỉ thị phân tử SNPs có ý nghĩa từ các tổ hợp theo chủ đích và đặc biệt từ các gen tương tác với nhau cho thấy kiểu hình “ultralow GI” với hàm lượng amylose cao, protein cao. Phân tích metabolomics (hệ biến dưỡng) của cây lúa có đa dạng kiểu hình tính trạng AC, PC, và GI cho thấy rằng những dòng lúa ưu việt với AC và PC cao, GI thấp được ưu tiên gia tăng lên trong quá trình biến dưỡng glycolytic và amino acid, trong khi đó, các dòng AC thấp và PC thấp, GI cao được tăng lên rất nhiều trong quá trình biến dưỡng “fatty acid”. Con lai cận giao tái tổ hợp có  amylose cao, protein cao (HAHP_101) được gia tăng amino acids thiết yếu như lysine. Những dòng lúa như vậy có thể là rất phù hợp cho việc sản xuất thực phẩm phục vụ cho bệnh đái tháo đường và bệnh khiếm dưỡng.

 

https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2410598121?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&rfr_dat=cr_pub++0pubmed

Gen đích OsNCED3 điều khiển sinh tổng hợp ABA là một regulator tích cực trong tính kháng rầy nâu Nilaparvata lugens của cây lúa Oryza sativa

 Gen đích OsNCED3 điều khiển sinh tổng hợp ABA là một regulator tích cực trong tính kháng rầy nâu Nilaparvata lugens của cây lúa Oryza sativa

Nguồn: Jitong Li, Hao Liu, Xinyi Lv, Wenjuan Wang, Xinyan Liang, Lin Chen, Yiping Wang, Jinglan Liu. 2024. A key ABA biosynthetic gene OsNCED3 is a positive regulator in resistance to Nilaparvata lugens in Oryza sativa. Front Plant Sci.; 2024 Jun 26: 15:1359315. doi: 10.3389/fpls.2024.1359315.

 

Gen mã hóa 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase 3 (NCED3) có chức năng sinh tổng hợp abscisic acid (ABA), tăng trưởng và phát triển của cây, chống chịu với nhiệt độ bất thuận, chịu hạn và mặn. Theo nghiên cứu này, ba dòng lúa được sử dụng để khai thác chức năng của gen OsNCED3, đó là một dòng lúa biểu hiện mạnh mẽ OsNCED3 (OsNCED3-OE), một dòng lúa knockdown (osnced3-RNAi) và một dòng lúa nguyên thủy (WT: wild-type). Ba dòng lúa này được lây nhiễm rầy nâu (BPH; Nilaparvata lugens) và tiến hành xem xét những thay đổi về sinh lý học và sinh hóa, hàm lượng hormone, biểu hiện của gen đóng vai trò bảo vệ (defense gene expression). Kết quả cho thấy OsNCED3 tăng hoạt cơ chế bảo vệ cây lúa, dẫn đến làm tăng hoạt tính enzyme có chức năng bảo vệ như superoxide dismutase, peroxidase, và polyphenol oxidase. Biểu hiện mạnh mẽ của gen OsNCED3 làm giảm số rầy nâu và làm suy giảm đẻ trứng cũng như tỷ lệ trứng nở. Hơn nữa, biểu hiện mạnh mẽ của gen OsNCED3 làm tăng hàm lượng jasmonic acid, jasmonyl-isoleucine và ABA liên quan tới dòng lúa WT và dòng lúa osnced3-RNAi. Kết quả cho thấy OsNCED3 cải tiến được tính trạng chống chịu stress trong cây lúa và tích cực hỗ trợ vai trò của cả jasmonates và ABA, như những hợp chất bảo vệ cây trong mối tương tác giữa cây lúa và rầy nâu.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38988632/

Phân tích transcriptome các gen DEGs trong lá cây lúa non, dưới nghiệm thức khác nhau về nitrate đối với tính kháng bệnh bạc lá lúa

 Phân tích transcriptome các gen DEGs trong lá cây lúa non, dưới nghiệm thức khác nhau về nitrate đối với tính kháng bệnh bạc lá lúa

Nguồn: Xintong Liu, Shunquan Chen, Changjian Miao, Huijing Ye, Qingchao Li, Hongzhen Jiang, Jingguang Chen. 2024. Transcriptome analysis of differentially expressed genes in rice seedling leaves under different nitrate treatments on resistance to bacterial leaf blight. Front Plant Sci.; 2024 Jul 4: 15:1436912. doi: 10.3389/fpls.2024.1436912.

 

Nitrogen (N), là một trong những nguồn dưỡng chất chủ yếu trong cây lúa, không những là giới hạn năng suất lúa, mà còn tác động đấn tính kháng bệnh của cây thông qua mô phỏng hình thái học cây lúa, điều hòa đặc điểm sinh hóa, cũng như tăng cường các tiến trình biến dưỡng. bệnh bạc lá, một bệnh do vi khuẩn khá trầm trọng cho lúa bởi vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo), làm suy giảm đáng kể năng suất và phẩm chất lúa. Những nghiên cứu trước đây chỉ ra rằng bón phân trung bình liều lượng “nitrate nitrogen” có thể cải tiến tính kháng bệnh. Tuy nhiên, sự lạm dụng quá mức đặt ra yêu cầu khẩn thiết phải nghiên cứu lộ trình truyền tín hiệu “nitrate nitrogen” liên quan đến tính kháng bệnh bạc lá lúa. Trong nghiên cứu này, người ta tiến hành phân tích “transcriptome sequencing” để xem xét các gen DEGs (differentially expressed genes: gen biểu hiện khác nhau) trong những nghiệm thức khác nhau về “nitrate” bón vào khi cây lúa nhiễm vi khuẩn bạc lá. Kết quả cho thấy bón vào “nitrate nitrogen” có ảnh hưởng đến tính kháng của cây lúa đối với bệnh bạc lá. Thông qua phổ biểu hiện transcriptomic của lá lúa dã được chủng vi khuẩn, với nhiều nghiệm thức bón nitrate nitrogen khác nhau, người ta đã phân lập được 4815 gen  DEGs theo bốn nhóm so sánh, với khác biệt đáng kể của mức độ biểu hiện DEG giữa nghiệm thức bón ít và bón nhiều nitrate nitrogen, với một vài thành viên của họ protein NPF. Người xác định được hệ thống điều tiết có tính chất phân tử mà trong hệ thống ấy nitrate nitrogen có góp phần vào tính kháng bệnh bạc lá. Kết quả cung cấp một cách nhìn mới về một cơ chế sinh học bao gồm sự kiện nitrate nitrogen làm cho hệ thống bảo vệ lan rộng hơn trong cây lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39027672/