Nhiệt độ nóng và tính kháng bệnh đạo ôn theo tín hiệu JA của cây lúa
Nguồn: Jiehua Qiu, Junhui Xie, Ya Chen, Zhenan Shen, Huanbin Shi, Naweed I Naqvi, Qian Qian, Yan Liang, Yanjun Kou. 2022. Warm temperature compromises JA-regulated basal resistance to enhance Magnaporthe oryzae infection in rice. Molecular Plant.; 2022 Apr 4;15(4):723-739.
Sự ấm lên của khí quyển trên toàn cầu có ảnh hưởng đến phát triển bệnh hại cây trồng. Người ta biết rằng bệnh đạo ôn cây lúa nhanh chóng trở thành dịch trong mối tương quan với sự ấm lên như vậy. Tuy nhiên, cơ chế phân tử này chưa rõ. Theo kết quả nghiên cứu của công trình này, người ta chỉ ra rằng sự phát triển bệnh đạo ôn lúa tăng ở nhiệt độ khí quyển ấm (22°C) so sánh với nhiệt độ bình thường cho cây tăng trưởng (28°C). Phân tích so sánh transcriptome cho thấy sinh tổng hợp jasmonic acid (JA) và các gen truyền tín hiệu có liên quan trong hệ gen cây lúa có thể bị kích hoạt bởi nấm Magnaporthe oryzae ở 28°C nhưng không bị kích hoạt ở 22°C. Phân tích kiểu hình cho kết quả trong cây lúa đột biến osaoc1 và osmyc2, những dòng lúa OsCOI1 RNAi, và OsMYC2-OE đều minh chứng rằng: sinh tổng hợp JA bị kích hoạt bởi nấm M. oryzae và tiến trình truyền tín hiệu dẫn đến kết quả làm tăng cường tính nhiễm bệnh đạo ôn ở điều kiện nhiệt độ ấm. Theo kết quả ấy, người ta tìm thấy một phương pháp ngoại sinh: dùng methyl jasmonate phun vào, nó rất hữu hiệu trong cải tiến tính kháng bệnh đạo ôn trong điều kiện nhiệt độ ấm. Hơn nữa, hoạt tính tăng lên của sự truyền tín hiệu JA làm cho biểu hiện gen điều tiết theo kiểu “down” của một vài gen kháng chủ lực, ở nhiệt độ 22°C khi so sánh với nghiệm thức nhiệt độ 28°C. Trong những gen có ảnh hưởng nhất định ấy, OsCEBiP (chitin elicitor-binding protein precursor) được tìm thấy bị điều tiết trực tiếp bởi OsMYB22 và protein tương tác của nó OsMYC2, một thành phần chủ chốt của tiến trình truyền tin hiệu JA. Điều ấy góp phần vào kết quả kháng bệnh đạo ôn khi thay đổi nhiệt độ. Kết quả nghiên cứu này cho rằng nhiệt độ ấm làm tổ thuong tính kháng của cây lúa, làm tăng cường sự xâm nhiễm của nấm M. oryzae bởi làm giảm sinh tổng hợp JA và tiến trình truyền tín hiệu. Kết quả cung cấp những chiến lược mới trong quản lý bệnh đạo ôn cây lúa trong điều kiện khí quyển ấm lên trên toàn thế giới.
Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35217224/
Hình: Giảm tính kháng bệnh đạo ôn của cây lúa ở nhiệt độ 22°C.
Nhiều phân tử yếu tố phiên mã (TFs) của động vật kết gắn với cả phân tử DNA và mRNA, điều tiết phiên mã và điều tiết hình thành mRNA. Tuy nhiên, chức năng TFs thực vật ở hai mức độ phiên mả và hậu phiên mã đều chưa được biết. Cây lúa (Oryza sativa) có bZIP TF AVRPIZ-T-INTERACTING PROTEIN 5 (APIP5) điều tiết thụ động để lập trình gây chết (programmed cell death) và kháng bệnh đạo ôn. Nó bị định dạng bởi effector AvrPiz-t của nấm gây đạo ôn Magnaporthe oryzae. Người ta minh chứng được tín hiệu định vị trong nhân của APIP5 vô cùng cần thiết cho sự ức chế APIP5 của sự kiện tế bào chết và tính kháng bệnh đạo ôn. APIP5 hướng trực tiếp đến nơi mà có điều tiết tích cực tính kháng bệnh đạo ôn: gen liên kết với kinase của thành tế bào có tên là OsWAK5 và gen gắn với cytochrome P450 có tên là CYP72A1. APIP5 ức chế sự biểu hiện của OsWAK5, làm hạn chế sự tích tụ lignin; hơn nữa, APIP5 còn ức chế sự biểu hiện của CYP72A1, làm hạn chế sản sinh ra ROS (reactive oxygen species) và bảo vệ sự tích tụ những hợp chất cần thết. Đáng chú ý là, APIP5 hoạt động như RNA-binding protein để điều tiết sự hình thành phân tử mRNA của các gen liên quan đến cell death & defense. Đó là OsLSD1 và OsRac1. Do đó, APIP5 đóng hai chức năng cùng một lúa (dual roles), hoạt động như TF để điều hòa sự biểu hiện gen trong nhân và có chức năng như một RNA-binding protein để điều hòa mRNA turnover trong tế bào chất.
Đa hình đoạn phân tử chèn transposon có thể là yếu tố cải tiến dự đoán của những tính trạng nông học phức tạp (complex agronomic traits) của cây lúa khi so sánh với kỹ thuật SNPs, đặc biệt là các mẫu giống lúa được dự đoán có ít liên quan đến bộ dòng training trong sàng lọc di truyền.
xa13 là gen lặn có bản chất gen đa tính trạng (pleiotropic), nó điều tiết tích cực để kháng bệnh cháy bìa lá lúa và điều tiết tiêu cực đối với sự thụ tinh của cây lúa; do vậy, nó rất bị hạn chế trong khai thác nguồn gen để cải tiến giống lúa. Theo nghiên cứu này, công nghệ chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR/Cas9 được sử dụng để loại bỏ trình tự một phần của promoter của gen trội Xa13, bao gồm yếu tố biểu hiện bị kích hoạt bởi vi khuẫn lây bệnh (pathogenic bacteria-inducible expression element). Lúa có vùng promoter được chỉnh sửa mất khả năng biểu hiện gen khi bị pathogen xâm nhiễm, không có biểu hiện ảnh hưởng của gen nền ở lá lúa và túi phấn, cho kết quả kháng bệnh và năng suất bình thường. Người ta sàng lọc con lai của một họ của cây lúa bao gồm thụ tinh bình thường và kháng bệnh, trong quần thể ấy trình tự DNA mục tiêu bị mất đoạn và đoạn phân tử transgene ngoại sinh được phân lập trong thế hệ T1 (dòng không có transgene: transgene-free line). Tính trạng nông học quan trọng của thế hệ T2 được khảo sát. Thế hệ T2 có/không có phân tử DNA ngoại lai biểu thị không khác biệt có ý nghĩa về thống kê so sánh với cây nguyên thủy (WT: wild type) ở giai đoạn lúa trổ bông, chiều cao cây, số bông trên bụi, chiều dài bông, hoặc tỷ lệ hạt chắc trên đồng ruộng. Hai giống lúa cổ truyền, Kongyu131 (KY131, Geng/japonica) và Huanghuazhan (HHZ, Xian/indica), được chuyển nạp thành công, dòng lúa kháng bệnh và có khả năng thụ tinh được thu thập. Hiện nay, chúng là hai giống lúa truyền thống quan trọng tại Trung Quốc có thể được sử dụng để sản xuất trực tiếp trên đồng ruộng sau khi cải tiến. Biểu hiện của gen trội Xa13 trên lá cây lúa transgenic (KY-PD và HHZ-PD) không bị kích thích sau khi chủng pathogen, cho thấy phương pháp này có thể được áp dụng phổ cập trên toàn thế giới và rất hiệu quả để tăng cường sự ứng dụng gen xa13, một gen lặn, đa tính trạng, trong trường hợp di truyền tính kháng bệnh bạc lá lúa. Nghiên cứu về điều tiết sự biểu hiện của gen bằng phương pháp editing noncoding regions (chỉnh sửa vùng không mang mật mã di truyền) cung cấp một ý tưởng mới để phát triển “chọn giống phân tử” trong tương lai.
Đạo ôn lúa là đối tượng gây hại nặng nề nhất cho sản lượng thóc của các vùng trồng lúa trên thế giới. Canh tác giống lúa kháng bệnh là phương pháp hiệu quả nhất để quản lý bệnh đạo ôn trên cây lúa. Tuy nhiên, tính kháng bệnh đạo ôn rất dễ bị gãy trong vòng vài năm bởi nấm gây bệnh tiếp tục thay đổi để thích nghi với giống lúa mới này. Do đó, rất quan trọng là phải theo dõi liên tục diễn biến của bệnh và tính chất khác biệt của nòi sinh lý (race differentiation) của nấm gây đạo ôn trên đồng ruộng. Năm 2020, bệnh đạo ôn diễn biến rất nặng trên toàn quốc gia Hàn Quốc. Người ta đánh giá chỉ số bệnh tại Yeoju và so sánh điều kiện thời tiết tại thời điểm bệnh đạo ôn bộc phát năm 2019 và 2020. Người ta nghiên cứu nòi địa lý (races) và các gen “avirulence” của những mẫu phân lập nấm gây bệnh (isolates) tại Yeoju để xác định sự đa dạng của race và định tính di truyền của những mẫu phân lập ấy. Kết quả sẽ cung cấp những trợ giúp đáng kể cho nội dung kiểm soát bệnh đạo ôn và chương trình cải tạo giống lúa cao sản kháng bệnh đạo ôn.
Mục đích nghiên cứu: hiểu biết về cơ chế hoại tử (necrosis) bị kích thích bởi phytoxin của ký chủ có chọn lọc như toxin Rhizoctonia solani (RST); phân lập toxin này làm ra một yếu tố lây nhiễm bệnh tiềm tàng của mẫu nấm R. solani AG1 IA, gây bệnh đốm vằn (ShB) trên cây lúa.
Lúa (Oryza sativa L.) là một trong những loài cây lương thực chủ lực cho sự sống của loài người, năng suất lúa thường bị hạn chế bởi stress phi sinh học. Khô hạn và đất nhiễm mặn là stress phi sinh học gây thiệt hại đáng kể bậc nhất đối với nông nghiệp hôm nay. Tầm quan trọng của abscisic acid (ABA) trong sự tăng trưởng của cây và các phản ứng với stress phi sinh học được ghi nhận, người ta thấy rất cần phải xác định những gen mới gắn liền với sự truyền tín hiệu ABA. Các tác giả bài này sàng lọc gen nhạy cảm với khô hạn, có 158 gốc amino acid từ thư viện transcriptome cây lúa khi phơi nhiễm trong nghiệm thức khô hạn, người ta thấy các nguyên tố cis liên quan đến ABA và rất nhiều nguyên tố cis liên quan đến stress khô hạn trong trình tự promoter của nó. Kết quả chạy real-time PCR cho thấy OsMLP423 bị kích hoạt rất mạnh mẽ bởi stress khô hạn và stress mặn. Phân tích kiểu hình theo tính trạng sinh lý và tính trạng sinh hóa của cây lúa transgenic khẳng định rằng sự biểu hiện mạnh mẽ của gen OsMLP423 làm tăng cường tính chống chịu đối với khô hạn và mặn của cây lúa. Sự biểu hiện của gen OsMLP423 dung hợp với GFP protein chỉ ra rằng OsMLP423 định vị trên cả hệ thống màng tế bào và trong nhân tế bào. So sánh với cây nguyên thủy (wild type: WT), gen OsMLP423 biểu hiện mạnh mẽ, tăng tính nhạy cảm của cây đối với ABA. Kết quả phân tích sinh lý cho thấy sự biểu hiện mạnh mẽ của OsMLP423 có thể điều tiết được hiệu quả mất nước và sự biểu hiện gen đáp ứng với ABA của cây lúa, dưới điều kiện stress khô hạn và stress mặn. Nó làm giảm sự tổn thương của màng tế bào và tích lũy ROS (reactive oxygen species). Kết quả này cho thấy OsMLP423 là một phân tử regulator tích cực để chống chịu khô hạn và mặn của cây lúa, kiểm soát tính chống chịu của cây lúa đối với stress phi sinh học thông qua con đường tín hiệu lệ thuộc vào ABA. Do vậy, nghiên cứu cung cấp một luận điểm mới về cơ chế sinh lý và cơ chế phân tử của truyền tín hiệu ABA với gen OsMLP423 góp phần giúp cây lúa chống chịu được khô hạn và mặn.
Hiện tượng thiếu ô xy do ngập trong nước “Hypoxia” là một stress phi sinh học của thực vật. Kết quả ngập lũ có từ biến đổi khí hậu mà mối đe dọa chủ yếu cho cây trồng làm tăng xác suất rủi ro của “hypoxic stress”. Những cơ chế phân tử ấy giải thích hiện tượng “hypoxia” của cây xanh đã được làm rõ hơn trong mấy năm gần đây, nhưng các gen mới có liên quan đến stress như vậy vẫn còn chưa có thông tin mới. Bài viết này, các tác giả nhằm mục đích hoàn thiện phương pháp meta-analysis of the RNA sequencing viết tắt là RNA-Seq, cơ sở dữ liệu của cây Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) và cây lúa (Oryza sativa) trong nghiệm thức hypoxia. Người ta thu thập được 29 cặp “RNA-Seq data” của Arabidopsis và 26 cặp trong cây lúa bao gồm nghiệm thức xử lý hypoxic (ngập: submergence) và nghiệm thức normoxic (nghiệm thức đối chứng); sau đó ly trích những gen thường điều tiết theo kiểu “up” hoặc kiểu “down” trong thí nghiệm. Kết quả “meta-analysis” cho thấy 40 gen thuộc “up” và 19 gen thuộc kiểu “down”, trong hai loài thực vật này. Nhiều yếu tố phiên mã WRKY và enzyme cinnamate-4-hydroxylase được điều tiết theo kiểu “up”, nhưng chúng có trong hiện tượng hypoxia như thế nào vẫn còn chưa rõ. Kết quả meta-analysis xác định được những gen ứng cử viên đối với các cơ chế phân tử mới xảy ra trong thực vật, dưới nghiệm thức hypoxia.
Phosphorus (P) là nguyên tố đa lượng mà cây trồng có nhu cầu để tăng trưởng và phát dục. Orthophosphate (Pi), một dạng hình P được ưa thích của thực vật khi hấp thu lân, rất dễ dàng bị cố định trong đất, làm hàm lượng lân dễ tiêu rất thấp. Nguồn tài nguyền “phosphate rock” ngày càng hạn chế, phân bón có hiệu quả sử dụng lân thấp, và yêu cầu ngày càng cao của nông nghiệp xanh; tất cả trở nên quan trọng phải làm rõ những cơ chế phân tử liên quan đến phản ứng của cây đối với thiếu lân (P deficiency) và cải tiến hiệu quả sử dụng phosphate của cây trồng. Hơn 20 năm qua, tiến bộ to lớn của nội dung này đã và đang được hiểu nhiều hơn về những cơ chế điều tiết di truyền của phản ứng cây đói lân (P starvation). Ở đây, nhóm nghiên cứu viên đã tổng hợp lại một cách hệ thống các kết quả nghiên cứu gần đây về cơ chế của “Pi acquisition” (hấp thu P), vận chuyển P, và phân phối P từ vùng rễ cho đến chồi thân; sự phân phối lại Pi và sử dụng lại Pi trong chu kỳ tăng trưởng & phát dục của cây; những cơ chế phân tử của vi khuẩn cộng sinh trong cây lúa (Oryza sativa L.) khi thiếu lân. Người ta còn thảo luận nhiều chiến lược để làm thế nào tăng cường mức độ hiệu quả sử dụng P làm tăng năng suất lúa.
Nguồn: 
Thực hiện dòng hóa và định tính một protein mới có tên là C2H2 zinc finger protein nó ảnh hưởng đến phẩm chất cơm ngon thông qua hàm lượng amylose (AC) và sự phân bố chiều dài chuỗi amylopectin trong hạt gạo.
Bệnh đạo ôn lúa do nấm Magnaporthe oryzae gây ra. Ở đây, người ta đã xác định được một gen kháng từ giống lúa trồng Fuhui 2663 nó kháng với nấm đạo ôn có mẫu phân lập ký hiệu KJ201. Thông qua phân tích quần thể và phương pháp giải trình tự DNA, gen ứng cử viên được theo dõi định vị trên nhiễm sắc thể 12. Phương pháp “map-based cloning” cho thấy gen khángđược lập bản đổ ở quãng có độ lớn phân tử 80-kb chứa locus kháng của gen Pita. Ước đoán gen ứng cử viên và giải trình tự cDNA cho thấy rằng: gen đích trong giống lúa Fuhui 2663 allelic với gen Pita, nên người ta đặt ký hiện là Pita-Fuhui2663. Phân tích sâu cho thấy protein Fuhui 2663 có một thay đổi về amino acid: đó là gốc Ala (A) 918 trong Pita-Fuhui2663 được thay thế bởi Ser (S) trong Pita-S, làm cho sự thay đổi có ý nghĩa vê cấu trúc 3D của protein Pita-S. Thực hiện hệ thống CRISPR/Cas9 để knockout chỉnh sửa gen, kết quả xác nhận rằng Pita-Fuhui2663 có chức năng điều khiển kiểu hình kháng của giống lúa Fuhui 2663. Quan trọng hơn là, Pita-Fuhui2663 không ảnh hưởng đến bất kỳ tính trạng nông học quan trọng nào khi so sánh với giống lúa mang gen Pita nhờ kết quả thí nghiệm knockout này, điều đó cho thấy tiềm năng ứng dụng gen Pita-Fuhui2663 trong chương trình cải tiến giống. Hơn nữa, marker chỉ thị Pita-Fuhui2663-dCAPS biểu thị rất tốt tính chuyên biệt và hiệu quả cao để phục vụ chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, tìm dòng con lai kháng bệnh đạo ôn.
Khai thác gen kháng bệnh (R) của cây trồng trong các chương trình cải tiến giống là một chiến lược nghiên cứu hiệu quả để quản lý các pathogens. Sự hiểu biết về biến thiên di truyền gen kháng R là cơ sở của luận điểm này. Bệnh đạo ôn lúa bởi nấm Magnaporthe oryzae, là bệnh hại nặng nề đối với sản xuất lúa. Gen kháng bệnh đạo ôn lúa Pi-d2 đại diện cho một lớp mới (new class) của gen kháng R bởi domain mới của nó có tính chất bên ngoài tế bào (novel extracellular domain). Người ta nghiên cứu tính đa hình trong nhân, topology có tính di truyền huyết thống và các thành phần định hình tiến hóa của gen Pi-d2 trong 67 mẫu giống lúa trồng và lúa hoang có quan hệ gần. Gen Pi-d2 có nguồn gốc rất sớm trong Poales và duy trì như một gen đơn mà không phát triển (expansion). Phát hiện cho thấy rằng những alen nhiễm Pi-d2 có thể được dẫn xuất từ sự thay thế của một nucleotide nào đó trong những alen kháng sau khi phân nhánh subspecies của chi Oryza. Tính chất gen đa tính trạng mang chức năng rõ (functional pleiotropy) và các ảnh hưởng liên kết gen cho thấy có sự tiến hóa và sự sở hữu của những alen nhiễm bệnh trong quần thể cây lúa. Một bộ cặp mồi DNA được người ta phát triển từ các vị trí đa hình để tìm kiếm được đa hình nucleotide có chức năng (functional nucleotide polymorphism) quy định tính kháng bệnh của gen Pi-d2 trên cơ sở kết quả chạy PCR kinh điển. Mức độ đa dạng nucleotide biến thiên giữa những domains khác nhau của gen Pi-d2, mà gen này có thể liên quan đến các chức năng hết sức đa dạng của từng domain của phản ứng cây lúa với bệnh đạo ôn. Chọn lọc định hướng (directional hoặc purifying) biểu thị bản chất trội (dominant) trong sự kiện tiến hóa ở mức độ phân tử của gen Pi-d2 được ghi nhận và biểu thị từng phần biến thiên di truyền mang chất bảo thủ.
Cây lúa (Oryza sativa L.) là nguồn lượng thực chủ lực của Madagascar, nơi đó, nhu cầu lúa trên đầu người cao nhất trên thế giới. Lúa trồng ở Madagascar chủ yếu từ nông hộ nhỏ, đất kém phì nhiêu và không có sự đầu tư phân bón. Hậu quả là năng suất lúa ở mức thấp, chênh lệch năng suất lúa (yield gap) khá lớn trên toàn quốc. Kết quả nghiên cứu đánh giá tài nguyên di truyền giống lúa du nhập từ ngần hàng gen IRRI để xác định những giống cho cho nguồn gen có tiềm năng nhất và các loci liên quan đến tính trạng chống chịu độ phì nhiêu đất thấp (LFT: low soil fertility tolerance) mà tính trạng này có thể được sử dụng để cải tiến giống lúa trong điều kiện canh tác của địa phương. Các mẫu giống lúa được trồng trên ruộng không có phân bón thuộc cao nguyên ở trung tâm của đảo quốc Madagascar. Người ta áp dụng GWAS (genome-wide association study) xác định được QTL điều khiển tính trạng khối lượng bông lúa trên cây, khối lượng rơm, sinh khối tổng số, ngày trổ bông và chiều cao cây. Người ta tìm thấy những loci tại các vị trí trên nhiễm sắc thể của các gen được biết điều khiển ngày trổ bông (hd1) và chiều cao cây (sd1), minh chứng được các quy trình tính toán của GWAS. Hai QTLs điều khiển khối lượng bông lúa định vị trên nhiễm sắc thể số 5 (qLFT5) và 11 (qLFT11); tính trạng khối lượng bông lớn nhất (superior panicle weight) được xem do những alen thứ yếu điều khiển (minor alleles). Đánh giá kiểu hình chi tiết ở nghiệm thức thiếu P và N cho thấy qLFT11 có liên quan đến sự bù đấp vào tăng trưởng của rễ ở nghiệm thức thiếu dinh dưỡng. Giống cho gen đích (IRIS 313-11949) mang cả alen có ích ở trạng thái minor được người ta xác định và được lai với giống lúa địa phương (X265) vốn rất thiếu những alen này để khởi động chương trình phát triển giống lúa mới thông qua kết hợp với MAS (marker-assisted selection); chọn giống tại ruộng (selection on-farm) trong vùng sinh thái mục tiêu hơn là chọn giống tại viện hoặc trạm trại nghiên cứu như phương pháp cụ thể.
Lúa là mễ cốc cung cấp lương thực cho toàn thế giới với hơn một phân ba dân số phải lệ thuộc vào nó. Sản lượng lúa gạo bị tác động bới nhiều yếu tố bất lợi như bệnh đạo ôn do nấm Magnaporthe oryzae gây ra. Đây là một trong những stress sinh học nguy hiểm nhất, tàn phá mùa màng hết sức nghiêm trọng. Bài tổng quan này thảo luận tầm quan trọng của cây lúa và nấm gây bệnh đạo ôn hiện tại và tương lai, theo ngữ cảnh toàn thế giới, theo sinh học của genomics và sinh học phân tử pathogen gây đạo ôn và cây lúa. Sự tương tác được trình bày trên cơ sở phân tử giữa cây lúa và nấm M. oryzae bởi các mô phỏng khác nhau về tương tác gen. Người ta còn xem xét tỉ mỉ về M. oryzae effector và Avr genes, vai trò của noncoding RNAs trong phát triển bệnh đạo ôn. Những QTLs điều khiển tính kháng bệnh đạo ôn; gen kháng (R); và các alen được phân lập, được dòng hóa, được định tính cũng nằm trong thảo luận của tổng quan. Việc sử dụng QTLs các các gen R đối với tính kháng bệnh đạo ôn được thảo luận thông quan chọn tạo giống truyền thống và phương pháp transgenic. Cuối cùng, người ta tổng quan lại các ví dụ kinh điển và những ứng dụng đầy tiềm năng của các công cụ chỉnh sửa gen gần đây nhất, phương pháp quản lý bệnh đạo ôn trên cây lúa.