Di truyền tính kháng bệnh đạo ôn liên quan đến NLR receptor

 Di truyền tính kháng bệnh đạo ôn liên quan đến NLR receptor

Nguồn: Yang Liu, Xin Zhang, Guixin Yuan, Dongli Wang, Yangyang Zheng, Mengqi Ma, Liwei Guo, Vijai Bhadauria, You-Liang Peng, Junfeng Liu. 2021. A designer rice NLR immune receptor confers resistance to the rice blast fungus carrying noncorresponding avirulence effectors. Proc Natl Acad Sci U S A (PNAS); 2021 Nov 2; 118(44): e2110751118.  

 

Các receptors (thụ thể) “nucleotide-binding” và “leucine-rich repeat” (NLR) ghi nhận những protein mang tên “avirulence effectors” một cách trực tiếp thông qua  những domain IDs của nó (integrated domains: IDs) hoặc gián tiếp thông qua effector-targeted proteins. Những nghiên cứu trước đây thành công trong việc tạo ra những phân tử designer NLR receptors với những phổ ghi nhận mới (recognition profiles) bằng con đường công nghệ di truyền làm ra những phân tử IDs hoặc những phân tử targeted proteins trên cơ sở hiểu biết trước đó của tương tác giữa những effectors với nhau. Tuy nhiên, thách thức đặt ra là làm sao thiết kế được một receptor thực vật mới có khả năng nhận biết những effectors có chức năng bởi những cơ chế bí ẩn nào đó. Nhiều thụ thể mới NLR immune của cây lúa bao gồm RGA5, có một domain mang tính chất integrated heavy metal-associated (HMA) nó có thể nhận biết gen Avrs của nấm Magnaporthe oryzae và những ToxB-like (MAX) effectors trong nấm gây bệnh đạo ôn lúa. Ở đây, các tác giả công trình khoa học này đã báo cáo một phân tử mới designer rice NLR receptor RGA5^HMA2 mang một domain thông qua thao tác di truyền, integrated HMA domain (RGA5-HMA2). Domain này có thể nhận biết được MAX effector AvrPib không tương ứng và liên quan đến tính kháng phụ thuộc RGA4 với các mẫu phân lập của nấm M. oryzae biểu hiện gen AvrPib, gen này về bản chất kích hoạt tính kháng đạo ôn trên cơ sở  Pib thông qua những cơ chế chưa được biết. Domain RGA5-HMA2 được sáng tạo ra trên cơ sở tính đồng dạng cao về cấu trúc của gen AvrPib với hai MAX effectors, AVR-Pia và AVR1-CO39, được nhận biết bởi RGA5-HMA cùng nguồn gốc, giao diện kết nối giữa AVR1-CO39 và RGA5-HMA, khác biệt trên bề mặt của AvrPib và RAG5-HMA. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng NLR receptors của cây lúa với domain HMA có thể được thao tác di truyền liên quan đến tính kháng xâm nhiễm của các mẫu phân lập nấm M. oryzae không tương thích, nhưng có những effectors MAX tương đồng về cấu trúc, điều ấy biểu thị tính khác trên cơ sở NLR receptor cùng nguồn gốc với cơ chế chưa biết. Kết quả nghiên cứu cung cấp một phương pháp tiếp cận thực tiễn đề phát triển quần thể lúa đa dòng rice (multilines) và giống lúa có phổ kháng bệnh rộng bằng cách du nhập một series các thụ thể NLR được thao tác di truyền.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34702740/

 

GW10 mã hóa protein thuộc họ P450 điều khiển kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa

 GW10 mã hóa protein thuộc họ P450 điều khiển kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa

Nguồn: Penglin Zhan, Xin Wei, Zhili Xiao, Xiaoling Wang, Shuaipeng Ma, Shaojun Lin, Fangping Li, Suhong Bu, Zupei Liu, Haitao Zhu, Guifu Liu, Guiquan Zhang & Shaokui Wang. 2021.  GW10, a member of P450 subfamily regulates grain size and grain number in rice. Theoretical and Applied Genetics, December 2021; vol. 134: 3941–3950

 

Một QTL có tên là GW10 định vị trên nhiễm sắc thể 10 được dòng hóa bằng kỹ thuật map-based cloning, GW10 mã hóa P450 subfamily protein. Gen GW10 điều hòa kích thước hạt thóc và sô hạt trên bông lúa có trong chu trình BR.

 

Kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa có vai trò cực kỳ quan trọng đối với năng suất lúa. Ở đây, người ta xác định GW10, mã hóa P450 subfamily protein và điều khiển tính trạng kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa, giống lúa Lemont (tropical japonica) là giống cho gen (vật liệu bố), giống HJX74 (indica) là giống nhận gen (vật liệu mẹ). Locus GW10 được xác định trên bản đồ di truyền có kích thước phân tử là 14.6 kb trong hệ gen giống lúa HJX74, định vị trên vai dài của nhiễm sắc thể số 10. Sự biểu hiện yếu hơn của gen gw10 ở bông lúa đóng góp vào kiểu hình hạt lúa ngắn hơn, hẹp bề ngang hơn, và số hạt trên bông nhiều hơn. Trái lại, sự biểu hiện mạnh mẽ của  GW10 đóng góp vào kiểu hình hạt thóc dài hơ, rộng bề ngang hơn. Thêm vào đó, những mức độ biểu hiện mạnh mẽ của một vài sự kiện sinh tổng hợp brassinosteroid (BR) những đáp ứng của gen đều liên quan đến NIL-GW10. Sự nhạy cảm của góc lá lúa (leaf angle) đối với chu trình biến dưỡng BR ngoại sinh trong NIL-GW10 thấp hơn trong NIL-gw10 và KO-GW10, điều này khẳng định GW10 có trong phản ứng điều tiết brassinosteroid của tính trạng kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa.

 

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03939-3

 

Giống lúa thích ứng với biến đổi khí hậu thông qua khả năng tiết kiệm nước

 Giống lúa thích ứng với biến đổi khí hậu thông qua khả năng tiết kiệm nước

Nguồn: Maria Cristina Heredia, Josefine Kant, M. Asaduzzaman Prodhan, Shalabh Dixit & Matthias Wissuwa. 2022. Breeding rice for a changing climate by improving adaptations to water saving technologies Theoretical and Applied Genetics; January 2022; vol. 135:  17–33

 

Biến đổi khí hậu làm tăng ảnh hưởng đối với sản xuất lúa thông quan nhiệt độ nóng hơn, khả năng sử dụng nước giảm. Không như loài cây trồng khác, lúa còn là một đối tượng gây hiệu ứng khí thải nhà kính bởi sự thải ra khí methane từ đồng ruộng ngập nước. Biến đổi khí hậu do vậy có thể biểu hiện theo hai cách trong sản xuất lúa: làm tổ thương cây lúa và làm thay đổi kỹ thuật canh tác sao cho khí thải methane giảm xuống và từ đó, làm chậm lại sự ấm lên của khí quyển địa cầu. Trong bài tổng quan này, người ta tập trung hai công nghệ tiết kiệm nước làm giảm thời kỳ cây lúa nước sẽ được trồng trong điều kiện bị ngập hoàn toàn, làm cải tiến khả năng sử dụng nước hiệu quả hơn và làm giảm thiểu khí thải methane. Chọn giống lúa trong những thập niên qua đã tập trung vào cải tiến giống lúa cao sản thích ứng với điều kiện ngập nước một cách liên tục, nơi đó cây mạ được nuôi lớn lên ở nương mạ, rồi cấy ngoài đồng ruộng trên đất ngập nước được đánh bùn kỹ. Chuyển đối kỹ thuật cây sang kỹ thuật sạ thẳng hoặc tưới ngập khô xen kẽ tạo ra một thách thức mới rất cần được nhấn mạnh trong chọn giống lúa hiện đại. Những tính trạng mới thích nghi được yêu cầu ấy ví dụ như nẩy mầm đồng loạt, nhanh ngay cả trong điều kiện yếm khí, cường lực cây mạ, khả năng cạnh tranh cỏ dại mạnh mẽ, sự linh hoạt của rễ lúa, chống chịu khô hạn trung bình là những tính trạng rất cần thiết cho nguồn vật liệu di truyền ưu việt cần được phát huy trong tìm kiếm tính trạng mục tiêu, chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và cải tiến quần thể; tất cả được tổng hợp lại trong bài viết tổng quan này.

Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03899-8

 

Di truyền tính trạng kích thước hạt và số hạt lúa, qGNS5

 Di truyền tính trạng kích thước hạt và số hạt lúa, qGNS5

Nguồn: Hua Yuan, Peng Gao, Xiaoling Hu, Min Yuan, Zhengyan Xu, Mengya Jin, Wencheng Song, Shijie Zhan, Xiaobo Zhu, Bin Tu, Ting Li, Yuping Wang, Bingtian Ma, Peng Qin, Weilan Chen & Shigui Li. 2022. Fine mapping and candidate gene analysis of qGSN5, a novel quantitative trait locus coordinating grain size and grain number in rice. Theoretical and Applied Genetics, January 2022; vol. 135: pages 51–64 

 

qGSN5 là một QTL locus mới liên quan đến kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa, được thực hiện “fine-mapped” ở đoạn phân tử có kích thước 85.60-kb. GS3 có thể là phân tử suppressor của qGSN5.

Kích thước hạt thóc và số hạt trên bông lúa là hai tính trạng di truyền qui định trực tiếp đến năng suất lúa; tuy nhiên, cơ chế di truyền của chúng hết sức phức tạp và vẫn còn nhiều điều chưa rõ ràng. Theo kết quả nghiên cứu này, người ta xây dựng nên quần thể con lai CSSL (chromosome segment substitution line), CSSL28, chỉ ra tính thước hạt thóc tăng lên và sự giảm số hạt trên bông lúa, được phân lập trong quần thể con lai CSSLs từ tổ hợp lai giữa 93-11 (vật liệu nhận gen) và Nipponbare (vật liệu cho gen). Bốn đoạn phân tử mab tính chất “substitution” được phân lập trong CSSL28, và đoạn phân tử substitution segment này định vị trên nhiễm sắc thể 5 tương ứng với kiểu hình CSSL28. Do đó, người ta xác định được QTL điều khiển tính trạng grain size và grain number 5 (qGSN5). Phân tích tế bào học và phân tích PCR cho kết quả:  qGSN5 điều tiết sự phát triển của mày hoa lúa (spikelet hull) theo cách thức phân bào gây ảnh hưởng (affecting cell proliferation). Phân tích di truyền cho kết quả: qGSN5 là một locus có tính chất semi-dominant điều khiển kích thước hạt thóc và số hạt trên bông. Thông qua kỹ thuật map-based cloning và phân tích chồng lấp của đoạn substitution segment, qGSN5 được xác định trong quãng phân tử có độ lớn 85.60-kb. Kết quả giải trình tự DNA và phân tích quantitative PCR, gen Os05g47510, mã hóa P-type pentatricopeptide repeat protein, là gen ứng cử viên đối với qGSN5. Phân tích gen tích hợp (pyramiding) cho thấy ảnh hưởng của qGSN5 thấp hơn đáng kể khi có sự hiện diện của gen chức năng GS3, điều đó cho thấy GS3 có thể là một phân tử suppressor của qGSN5. Hơn nữa, người ta còn tìm thấy qGSN5 có thể cải tiến được dạng hạng (grain shape) của lúa lai. Kết hợp lại, kết quả nghiên cứu này đặt nền tảng cho kỹ thuật dòng hóa (cloning) một QTL mới gắn kết với tính trạng kích thước hạt thóc và số hạt trên bông;  cung cấp một nguồn vật liệu di truyền tốt phục vụ cho phát triển lúa lai hạt dài.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03951-7

 

Di truyền tính trạng pistil của hoa lúa trong sản xuất hạt lúa lai F1

 Di truyền tính trạng pistil của hoa lúa trong sản xuất hạt lúa lai F1

Nguồn: Xiaojing Dang, Yuanqing Zhang, Yulong Li, Siqi Chen, Erbao Liu, Bingjie Fang, Qiangming Liu, Dong She, Zhiyao Dong, Zhilan Fan, Dalu Li, Hui Wang, Shangshang Zhu, Xiaoxiao Hu, Yanhui Li, Jianhua Jiang & Delin Hong. 2022. SYL3-k increases style length and yield of F₁ seeds via enhancement of endogenous GA₄ content in Oryza sativa L. pistils. Theoretical and Applied Genetics; January 2022; vol. 135: 321–336

 

Alen SYL3-k làm tăng tỷ lệ thụ phấn chéo của dòng lúa bất dục đực  và thu được hạt lúa lai F₁ nhiều hơn thông qua tăng cường xử lý GA₄ ngoại sinh trên nuốm hoa cái cây lúa Oryza sativa L. (pistils). Thay đổi chiều dài trục mang nuốm nhụy cái có thể là một thích ứng của  canh tác lúa từ vùng phía nam lên vùng phía bắc của bán cầu bắc.

 

Chiều dài trục mang nuốm nhụy SYL (style length: SYL) của cây lúa là một tính trạng chủ lực ảnh hưởng đến độ mở của stigma, ảnh hưởng đến thụ phấn chéocủa dòng lúa bất dục đực và năng suất hạt lai F₁ . Tuy nhiên, cơ chế sinh học về sự kéo dài ra của SYL vẫn còn bí ẩn. Ở đây, các tác giả ghi nhận một dòng vô tính được thực hiện nhờ bản đồ di truyền (map-based cloning), họ định tính alen qSYL3-k. Gen  qSYL3-k  mã hóa protein có thuật ngữ khoa học là MADS-box family transcription factor, gen này biểu hiện hết sức khác nhau trong các cơ quan của cây lúa. Alen  qSYL3-k làm gia tăng SYL thông qua sự kéo dài chiều dài của tế bào thuộc cơ quan style, nuốm nhụy cái này liên quan đến hàm lượng GA₄ cao hơn trong pistil (bộ ngụy cái). Mức độ biểu hiện của gen OsGA3ox2 trong pistil bao gồm alen qSYL3-k lớn hơn rất đáng kể so với pistils có alen  qSYL3-n  trong cùng một hệ gen của giống lúa Nipponbare. Năng suất hạt lai F₁ được thu từ những cây lúa có alen 7001S^SYL3−k chiếm 16% hơn những cây lúa có alen 7001S^SYL3−n. Cơ sở dữ liệu trình tự DNA của locus qSYL3 của 136 mẫu giống lúa cho thấy các alen chứa trong các haplotypes này là qSYL3^AA, qSYL3^AG, và qSYL3^GA đã làm gia tăng SYL, trong khi đó alen khác có trong haplotype qSYL3^GG làm giảm SYL.  Tần suất haplotype qSYL3^GG gia tăng từ từ từ nam đến bắc bán cầu bắc. Những phát hiện ấy sẽ làm thuận lợi hơn cho việc cải tiến tính trạng SYL và năng suất hạt lúa lai F₁ .

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03968-y

 

Xác định vùng có gen đích điều khiển tính trạng kiến trúc rễ lúa

 Xác định vùng có gen đích điều khiển tính trạng kiến trúc rễ lúa

Nguồn: Parisa Daryani, Hadi Darzi Ramandi, Sara Dezhsetan, Raheleh Mirdar Mansuri, Ghasem Hosseini Salekdeh & Zahra-Sadat Shobbar. 2022. Pinpointing genomic regions associated with root system architecture in rice through an integrative meta-analysis approach. Theoretical and Applied Genetics, January 2022; vol. 135: 81–106

 

Người ta áp dụng phương pháp integrated meta-analysis để phân lập được các meta-QTLs/ candidate genes liên quan đến kiến trúc hệ thống rễ lúa, mà hệ thống ấy có thể được sử dụng trong chọn giống nhờ  MQTL 9MQTL-assisted breeding) cộng với kỹ thuật di truyền (genetic engineering) tính trạng rễ lúa.

 

Kiến trúc hệ thống rễ lúa RSA (Root system architecture) là yếu tố quan trọng giúp cây lúa hút nước và hút dinh dưỡng từ độ sâu trong đất canh tác lúa, thích nghi với stress khô hạn. Trong nghiên cứu này, người ta tiếp cận với phương pháp có thuật ngữ khoa học là integrated meta-analysis để tìm các gen ứng cử viên và các vùng đích trong hệ gen (genomic regions) co liên quan đến tính trạng RSA của cây lúa. Phương pháp whole-genome meta-analysis được hoàn thiện với 425 QTLs khởi thủy, có từ 34 thí nghiệm hoàn toàn độc lập điều khiển tính trạng RSA trong nghiệm thức đối chứng và nghiệm thức khô hạntrong 20 năm gần đây. Sáu mươi bốn MQTLs (consensus meta-QTLs) được tìm thấy, phân bố không đồng đều trên 12 nhiễm sắc thể lúa. Giá trị toán họa CI (confidence interval) của những MQTLs được xác định 0.11–14.23 cM với trung bình là 3.79 cM, được thu hẹp 3.88 lần so với giá trị  CI trung bình của QTLs đầu tiên. Thú vị là, 52 MQTLs đồng vị trí với các đỉnh tập họp chỉ thị SNP trong GWAS cây lúa đối với tính trạng hình thái học của rễ lúa. Các gen này định vị trong  RSA-related MQTLs như vậy, được người ta tìm thấy và biểu hiện để phát hiện thêm gen có chức năng chống chịu hạn ở rễ lúa trên kết quả chạyt  RNA-seq và cơ sở dữ liệu microarray. Multiple RSA và gen chịu hạn kết hợp nhau trong MQTLs bao gồm các gen mã hóa auxin trong sinh tổng hợp auxin hoặc truyền tín hiệu (e.g. YUCCA, WOX, AUX/IAA, ARF), góc rễ (DRO1-related genes), lrễ phân nhánh ngang (e.g. DSR, WRKY), đường kính rễ (e.g. OsNAC5), thành thế bào (e.g. EXPA), và lignin hóa (e.g. C4H, PAL, PRX and CAD). Các gen ấy định vị tại cả đỉnh tập trung chỉ thị SNP và  QTL-overview peaks đối với tính trạng RSA. Điều này cho thấy có những gen mới nmang tính chất ứng cử viên phục phục phân tích gen chức năng. Nhũng gen ứng cử viên đầy triển vọng và những MQTLs có thể được sử dụng làm cơ sở cho công nghệ di truyền và phương pháp MQTL-assisted breeding đối với cải tiến rễ lúa hình thành nên tiềm năng năng suất cao, ổn định và thích nghi trong điều kiện một trường bị stress do thiếu nước.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-021-03953-5