Locus pNL3.1 và tính chống chịu mặn của cây lúa ở giai đoạn nẩy mầm

 Locus pNL3.1 và tính chống chịu mặn của cây lúa ở giai đoạn nẩy mầm

Nguồn: Chengfang Zhan, Peiwen Zhu, Yongji Chen, Xinyi Chen, Kexin Liu, Shanshan Chen, Jiaxiao Hu, Ying He, Ting Xie, Shasha Luo, Zeyuan Yang, Sunlu Chen, Haijuan Tang, Hongsheng Zhang & Jinping Cheng. 2023. Identification of a key locus, qNL3.1, associated with seed germination under salt stress via a genome-wide association study in rice. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 58 (2023)

Published: 13 March 2023

 

Hai gen chủ lực OsTTL và OsSAPK1 tại locus qNL3.1 gắn liền với sự nẩy mầm hạt lúa trong nghiệm thức xử lý stress mặn đã được xác định thông qua kết quả GWAS (genome-wide association study).

 

Lúa là cây trồng nhạy cảm với stress mặn, và sự nẩy mầm hạt xác định tình trạng cây mạ sau đó  dẫn đến kết quả cuối cùng là năng suất. Trong nghiên cứu này, người ta sử dụng 168 mẫu giống lúa để nghiên cứu cơ sở di truyền tính chống chịu mặn ở giai đoạn lúa nẩy mầm trên cơ sở thông số GR (tỷ lệ nẩy mầm), GI (germination index), thời gian nẩy mầm được 50% (T50) và ML (mean level). Biến dị tự nhiên về nẩy mầm hạt được quan sát trong tập đoàn giống lúa này, xử lý stress mặn. Phân tích tương quan cho thấy hệ số tương quan có ý nghĩa giữa GR, GI và ML; tương quan nghịch với T50 trong suốt thời kỳ hạt nẩy mầm, điều kiện stress mặn. Có 49 loci gắn kết có có ý nghĩa với hạt nẩy mầm trong điều kiện stress mặn, có 7 loci trong số đó được phân lập trong 2 năm. Bằng kết quả so sánh, có 16 loci định vị cùng một nơi với những QTLs được công bố trước đây, số 33 loci còn lại có thể là loci mới. qNL3.1, định vị cùng nơi với qLTG-3, được xác định cùng lúc ấy với 4 indices trong 2 năm. Đây có thể là locus chủ chốt đối với nẩy mầm hạt khi bị stress mặn. Kết qủa phân tích gen ứng cử viên cho thấy có 2 gen, giống với gen OsTTL mã hóa transthyretin-like protein  và gen OsSAPK1 mã hóa serine/threonine protein kinase. Người ta gọi đó là “causal genes” của qNL3.1. Xét nghiệm hạt nẩy mầm cho thấy cả hai đột biến Osttl và Ossapk1 đã làm giảm đáng kể nẩy mầm hạt trong điều kiện stress mặn so với cây lúa nguyên thủy (wild type). Kết quả phân tích haplotype cho thấy: Hap.1 của gen OsTTL và Hap.1 của gen OsSAPK1 là những alen tốt nhất, với tỷ lệ nẩy mầm cao trong điều kiện bị stress mặn. Tám mẫu giống với tính trạng ưu việt của nẩy mầm trong điều kiện stress mặn được phân lập, chúng có thể dùng làm vật liệu lai cho cải tiến giống lúa nẩy mầm tốt, khi bị stress mặn.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04252-x

 

Hình: GWAS đối với tính trạng GR, GI, T50 và ML lúa loại hình indica. Manhattan plots của năm 2015 (trái) và 2017 (phải). Đường chỉ đỏ là ngưỡng có ý nghĩa thống kê P < 1 × 10–5. Mũi tiên biểu tượng của loci tìm thấy trong 2 năm.

OsSAPK3 cải thiện tính trạng chống chịu khô hạn và năng suất lúa

 OsSAPK3 cải thiện tính trạng chống chịu khô hạn và năng suất lúa

Nguồn: Dengji Lou, Suping Lu, Zhen Chen, Yi Lin, Diqiu Yu, Xiaoyan Yang. 2023. Molecular characterization reveals that OsSAPK3 improves drought tolerance and grain yield in rice. BMC Plant Biol.; 2023 Jan 24;23(1):53. doi: 10.1186/s12870-023-04071-8.

 

Nhiều số liệu cho rằng sucrose non-fermenting 1-related kinases 2 (SnRK2s) rất quan trọng đối với stress phi sinh học của thực vật. Riêng cây lúa, những kinases như vậy được biết như osmotic stress/ABA-activated protein kinases (SAPKs). Stress có tính chất áp suất thẩm thấu /  protein kinase 3 kích hoạt ABA (OsSAPK3) là thành viên của họ protein SnRK2II trong cây lúa. CHức năng của nó ra sao vẫn còn chưa rõ ràng.

 

Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng: Sự biểu hiện của OsSAPK3 được điều tiết theo kiểu “up” khi phản ứng với khô hạn, NaCl, PEG và ABA. Protein OsSAPK3 ở giai đoạn hạt nẩy mầm (sapk3-1 và sapk3-2) biểu tính siêu nhạy cảm suy giảm đối với ABA từ bên ngoài. Hơn nữa, trong điều kiện khô hạn, sapk3-1 và sapk3-2 biểu hiện không chống chịu nhiều hơn với stress khô hạn, bao gồm mức độ cây sống sót giảm đi, mức độ cây mất nước tăng lên, sự vận chuyển nước qua khí khổng tăng lên và mức độ biểu hiện SLAC1 và SLAC7 suy giảm đáng kể. Kết quả phân tích sinh lý và biến dưỡng cho thấy: OsSAPK3 có thể đóng vai trò quan trọng trong chu trình truyền tín hiệu  đối với stress khô hạn bởi ảnh hưởng điều tiết áp suất thẩm thấu và những thể osmolytes, giải độc ROS và biểu hiện ra các gen có liên quan đến sự lệ thuộc ABA và không lệ thuộc ABA khi phản ứng với thiếu nước. Tất cả kết quả phân tích tính trạng nông học chứng minh được rằng OsSAPK3 có thể cải tiến năng suất lúa thông qua ảnh hưởng điều tiết  về số chồi thân và kích cỡ hạt thóc.

 

OsSAPK3 có vai trò quan trọng trong phản ứng với khô hạn cả hai cơ chế lệ thuộc ABA và không lệ thuộc ABA. Thú vị hơn hết là OsSAPK3 có thể cải tiến năng suất lúa thông qua ảnh hưởng gián tiếp của số chồi thân và kích cỡ hạt thóc. Kết quả đã cung cấp luận điểm mới để phát triển giống lúa cao sản chống chịu khô hạn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36694135/

Các nhà nghiên cứu xác định gen chính kiểm soát sự phân bố cadmium giữa lá và hạt lúa

 Các nhà nghiên cứu xác định gen chính kiểm soát sự phân bố cadmium giữa lá và hạt lúa 

Sơ đồ thể hiện vai trò của OsHIPP9 trong việc giữ Cd và Cu trong cây lúa. Nguồn: IBCAS.

 

Cadmium (Cd), một kim loại nặng độc hại gây ô nhiễm đất canh tác, gây nguy hiểm cho con người thông qua sự tích tụ của nó trong cây trồng, đặc biệt là cây lúa. Do đó, các chiến lược hạn chế tích lũy Cd trong hạt gạo là rất cần thiết. Ở cây lúa, Cd được rễ hút lên từ đất và sau đó được vận chuyển đến các mô trên mặt đất. Các node, là các bó mạch nối với rễ, lá và chùy, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hướng Cd trong cây lúa.

 

Nhóm nghiên cứu do giáo sư Qu Leqing từ Viện Thực vật học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (IBCAS) dẫn đầu, đã xác định được Cd metallicochaperone OsHIPP9 (protein isoprenylated liên kết với kim loại nặng 9) thông qua hệ thống sàng lọc nấm men chống chịu Cd và mô tả chức năng của nó trong cây lúa bằng cách sử dụng các chiến lược di truyền, tế bào và sinh hóa. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Plant, Cell & Environment.

 

OsHIPP9 cho thấy khả năng liên kết với Cd và đồng (Cu), chủ yếu phụ thuộc vào thiol trong cystein, để tạo thành phức hợp protein-kim loại ổn định. OsHIPP9 chủ yếu được biểu hiện ở vùng xylem của các bó mạch mở rộng tại các node và lớp vỏ ngoài của rễ ở cây lúa. Loại bỏ OsHIPP9 làm tăng nồng độ Cd của các node trên và chùy, nhưng làm giảm Cd trong các lá mở rộng, điều này có thể là do sự thay đổi trong phân bố Cd trong các node.

 

Ngoài ra, việc loại bỏ OsHIPP9 làm giảm nồng độ Cu trong các mô trên mặt đất của cây lúa, trong khi sự biểu hiện quá mức của OsHIPP9 làm tăng nồng độ Cu trong cây lúa.

 

Những phát hiện này cho thấy vai trò metallicochaperone kép của OsHIPP9, thải Cd trong vùng xylem của EVB để giữ Cd trong các đốt và thải Cu trong rễ lúa để hỗ trợ hấp thu Cu, cung cấp thông tin hữu ích để điều chỉnh nồng độ Cd và Cu trong hạt gạo.

 

Tiến sỹ Xiong Shuo, tác giả đầu tiên của nghiên cứu cho biết: “OsHIPP9 có thể làm trung gian cho nhiều Cd di chuyển vào lá hơn là vào hạt, điều này rất quan trọng để giảm mức độ Cd trong hạt”.

Triển vọng lúa gạo năm 2050

 Triển vọng lúa gạo năm 2050 

Nguồn; Jianxin Shi, Gynheung An, Andreas P M Weber, Dabing Zhang. 2023. Prospects for rice in 2050. Plant Cell Environ.; 2023 Apr; 46(4):1037-1045. doi: 10.1111/pce.14565.

 

Nội dung then chốt để đạt được mục tiêu thiên niên kỷ của Liên Hiệp Quốc theo lộ trình đến năm 2030 đối với phát triển bền vững, người ta sẽ cần phải thay đổi kinh nghiệm đối với các hệ thống “agrifood” (lương thực nông nghiệp). Chúng ta phải gắn kết với thách thức mang tính chất toàn cầu để có được an ninh lương thực trên cơ sở bền vững theo ngữ cảnh biến đổi khí hậu, gia tăng dân số, đô thị hóa, và cạn kiệt dần tài nguyên thiên nhiên. Lúa gạo là một loài mễ cốc chính đang có đóng góp rất đáng kể, lúa gạo vẫn sẽ đóng góp vào mục tiêu an ninh lương thực như vậy. Cho đến nay, năng suất lúa đã và đang theo kịp nhu cầu gia tăng của xã hội, do những thành tự từ nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu sinh học, cũng như thành tựu ứng dụng thực tiễn của chọn giống phân tử và mang tính chất hệ gen (genomic and molecular breeding). Tuy nhiên, sản lượng thóc trong tương lai tùy thuộc rất lớn vào việc canh tác các giống lúa chống chịu điều kiện bất lợi thích nghi với biến đổi khí hậu. Số bài viết đặc biệt này phác họa nét tổng quan và những báo cáo khoa học nguồn gốc chính xác và dựa trên tương tác giữa cây lúa và môi trường đồng ruộng mà chúng có thể mang lại nguồn lợi cho chọn giống lúa tương lai. Người ta còn phác họa những câu hỏi mở và đề nghị các hướng đi tương lai trong nghiên cứu lúa gạo năm 2050, kêu gọi sự chú ý nhiều hơn để phát triển giống lúa chống chịu với môi trường bất thuận đặc biệt là lúa lai, lúa rẩy và lúa đa niên.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36805595/

Di truyền tính chống chịu mặn của cây lúa thông qua gen ứng cử viên 'Sea Rice 86' ở giai đoạn mạ và giai đoạn lúa trổ

 Di truyền tính chống chịu mặn của cây lúa thông qua gen ứng cử viên 'Sea Rice 86' ở giai đoạn mạ và giai đoạn lúa trổ

Nguồn: Qinmei Gao, Hongyan Wang, Xiaolin Yin, Feng Wang, Shuchang Hu, Weihao Liu, Liangbi Chen, Xiaojun Dai, Manzhong Liang. 2023.  Identification of Salt Tolerance Related Candidate Genes in 'Sea Rice 86' at the Seedling and Reproductive Stages Using QTL-Seq and BSA-Seq. Genes (Basel); 2023 Feb 10; 14(2):458. doi: 10.3390/genes14020458.

 

Stress mặn ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển của cây, làm giảm năng suất lúa đáng kể. Do đó, người ta phải phát triển giống lúa cao sản chống chịu mặn thông qua phân tích QTL và BSA (bulked segregant analysis) tại focus chủ lực của kết quả dự án “molecular breeding”. Nghiên cứu này sử dụng sea rice (SR86) có tính trạng chống chịu mắn tốt hơn giống lúa thông thường. Trong điều kiện stress mặn, màng tế bào  và diệp lục tố ổn định hơn và hoạt tính của enzyme “antioxidant” cao hơn trong giống lúa SR86 so với giống lúa thường. Người ta sử dụng 30 cây cực kỳ chịu mặn và 30 cây cực kỳ nhiễm mặn từ quần thể con lai F2 của tổ hợp lai SR86 × Nipponbare (Nip) và SR86 × 9311 trong giai đoạn lúa tăng trưởng sinh thực và giai đoạn sinh dục của cây, rồi trộn thành bulks. Có 11 gen liên quan đến gen ứng cử viên chịu mặn định vị theo kết quả chạy QTL-seq kết hợp với phân tích BSA.  Kết quả chạy RT-qPCR cho thấy LOC_Os04g03320.1 và BGIOSGA019540 biểu hiện ở mức độ cao trong giống lúa SR86, cao rất nhiều so với cây lúa Nip và 9311, như vậy, những gen này cần thiết cho tính chống chịu mặn của SR86. Những QTLs này được xác định thông qua các phương pháp nói trên trong chương trình cải tiến giống lúa cao sản chịu mặn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36833384/

 

Biểu hiện của gen ứng viên trong giống lúa SR86, Nip, và 9311; xử lý mặn: normal (0 mM NaCl),  150 mM NaCl chạy RT−qPCR. (a) Biểu hiện gen ứng cử viên của Nip. (b) Biểu hiện gen ứng cử viên của SR86. (c) Biểu hiện gen ứng cử viên của 9311. (d) Biểu hiện gen ứng cử viên của SR86, cây lúa phơi nhiễm trong 150 mM NaCl thời gian 24 giờ. Thang abscissa biểu hiện nồng độ mặn; thang ordinate mức độ biểu hiện gen, tính theo phương pháp 2−ΔΔCT. Số liệu biểu hiện bởi giá trị trung bình ± SD với 3 lần nhắc lại.