Thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực làm tăng chống chịu nóng ở giai đoạn lúa trổ

 Thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực làm tăng chống chịu nóng ở giai đoạn lúa trổ

Nguồn; Anderson da Rosa Feijó, Vívian Ebeling Viana, Andrisa Balbinot, Marcus Vinicius Fipke, Gustavo Maia Souza, Luciano do Amarante, Luis Antonio de Avila. 2023. Water Deficit at Vegetative Stage Induces Tolerance to High Temperature during Anthesis in Rice. Plants (Basel); 2023 Aug 31; 12(17):3133. doi: 10.3390/plants12173133.

 

Năng suất cây trồng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố sinh học, phi sinh học khác nhau. Nhìn chung, cây lúa trải nghiệm qua nhiều stress trong chu trình sống của chúng, cây lúa có thể chống chịu với nhiều stress và phát triển cơ chế chống chịu chéo mà thuật ngữ chuyên môn gọi là “cross-tolerance”. Sự gia tăng nồng độ CO2 trong khí quyển có thể gia tăng “cross-tolerance” như vậy. Thăm dò (priming) là chiến lược làm gia tăng năng suất hoặc duy trì năng suất trong điều kiện cây lúa bị stress. Mục tiêu của tác giả là là đánh giá  nếu “priming” cây lúa bị thiếu nước  ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực có thể kích thích chống chịu stress do nhiệt độ nóng hay không? ở gia đoạn tung phấn (anthesis), đánh giá sự đóng góp của e[CO2].

 

Phương pháp: thí nghiệm được bố trí theo kiểu khối hoàn toàn ngẫu nhiên với kiểu thừa tố (factorial arrangement). Factor A bao gồm nghiệm thức: thiếu nươc ở giai đoạn 4 lá (no-stress, và stress khô hạn), nhiệt độ nóng khi lúa tung phấn (nhiệt độ bình thường, nhiệt độ cao), và “priming” với khô hạn ở gđ bốn lá, với stress nóng ở gđ lúa tung phấn; Factor B có hai nghiệm thức  [CO2]: đó là a[CO2] = 400 ± 40 μmol mol-1 và e[CO2] = 700 ± 40 μmol mol-1. Tiến hành đánh giá ảnh hưởng của các nghiệm thức đối với tăng trưởng, năng suất, những thay đổi về sinh học, về transcriptome.

 

Cho dù nồng độ e[CO2] đã ảnh hưởng đến các thông số tăng trưởng của lúa, nhưng nó không ảnh hưởng đến “priming effect”. Cây lúa “primed” cho thấy có sự gia tăng năng suất và số bông trên cây lúa. Cây lúa “primed” biểu hiện điều tiết theo kiểu “up” đối với gen OsHSP16.9A, OsHSP70.1, và OsHSP70.6. Kết quả biển hiện cái gọi là “cross-tolerance”.

Như vậy, thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực làm giảm ảnh hưởng của stress nhiệt độ nóng ở gia đoạn sinh dục của cây lúa. Thiếu nước ở giai đoạn tăng trưởng sinh thực có thể được áp dụng, sau những thử nghiệm tích cực ngoài đồng, để làm giảm ảnh hưởng của stress nóng khi lúa trổ bông.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37687380/

Phân tích transcriptomic để tìm kiếm nguồn gen điều khiển chống chịu mặn gia đoạn hạt nẩy mầm của cây lúa

 Phân tích transcriptomic để tìm kiếm nguồn gen điều khiển chống chịu mặn gia đoạn hạt nẩy mầm của cây lúa

Nguồn: Xiao Han, Zhihai Wu, Fangbiao Liu, Yu Wang, Xiaoshuang Wei, Ping Tian, Fenglou Ling. 2023. Transcriptomic Analysis and Salt-Tolerance Gene Mining during Rice Germination. Genes (Basel); 2023 Jul 29; 14(8):1556. doi: 10.3390/genes14081556.

 

Stress mặn là yếu tố ngoại cảnh quan trọng ảnh hưởng đến tăng trưởng và phát triển cây trồng. Một trong những cách thức chủ yếu để cải tiến tính chống chịu mặn của cây lúa là xác định được những gen chịu mặn mới có những cơ chế rõ ràng, rồi áp dụng chúng để sáng tạo ra nguồn vật liệu mới phục vụ cho nội dung chọn tạo giống lúa. Trong nghiên cứu này, Giống nhiễm mặn thuộc loại hình japonica, Tong 35 (T35) và giống chống chịu mặn japonica là Ji Nongda 709 (JND709) được sử dụng. Nghiệm thức xử lý mặn: dung dịch 150 mmol/L NaCl (nhóm đối chứng được thử nghiệm không có mặn đồng thời) được tiến hành liên tục cho đến khi vật liệu thí nghiệm được thu thập mẫu khi lúa đã nẩy mầm rồi. Mười ha “cDNA libraries” được tạo ra, 5 “comparator groups” được thiết kế phục vụ kết quả chạy “transcriptome sequencing”. Tính trung bình, 9,57G của dữ liệu thô trình tự DNA được hình thành trên mỗi mẫu thí nghiệm, với so sánh trình tự tham chiếu (reference alignment) đạt trên 96,88%; riêng nối CG chiếm hơn 53,86%. Tổng số gen DEGs là 16.829 (differentially expressed genes) hiện hữu trong 5 nhóm so sánh, Theo đó, có 2390 gen biểu hiện đặc biệt trong mẫu giống lúa T35 (category 1), 3306 gen biểu hiện đặc biệt trong giống lúa JND709 (category 2), và 1708 gen biểu hiện đặc biệt trong cả hai (category 3). Gen DEGs được khống chế đối với GO (gene ontology), phân tích chức năng phong phú (functional enrichment analysis), và phân tích chu trình “Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes” (KEGG), kết quả cho thấy những gen này thuộc về 3 classes chủ lực: chức năng phân tử, thành phần tế bào, và tiến trình sinh học. Kết quả phân tích “KEGG pathway”  cho thấy các chu trình này có ý nghĩa đáng kể đối với những DFGs nói trên bao gồm sinh tổng hợp phenylpropane, truyền tín hiệu của phytohormone, và tương tác giữa cây lúa với những pathogens gây bệnh. Như ve65y, kết quả đã cung cấp tư liệu tham khảo về nghiên cứu cơ chế phân tử làm rõ hơn tính chống chịu mặn của cây lúa ở giai đoạn hạt nẩy mầm.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37628608/

Xác định chất vận chuyển silicon để nâng cao năng suất lúa

 Xác định chất vận chuyển silicon để nâng cao năng suất lúa

Các nhà nghiên cứu tại Đại học OKama, Nhật Bản, đã phát hiện ra Silicon Efflux Transporter 4 (SIET4) là chất vận chuyển giúp cho việc định vị Si trong lá lúa. Các phân tích chức năng của SIET4 trình bày chi tiết về tác động của các đột biến xóa SIET4 đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

 

Lúa đột biến loại bỏ SIET4 chết khi có sự hiện diện của Si.

 

 

Silicon (Si) có nhiều trong môi trường trên mặt đất và chiếm từ 0,1% đến 10% trọng lượng khô của cây. Một số loài thực vật có nồng độ Si tích lũy cao và nghiên cứu đã xác định Si tích lũy cao là cơ chế bảo vệ chống lại các tác nhân phi sinh học (hạn hán, lạnh, nóng) và các tác nhân gây stress sinh học (sinh vật sống). Oryza sativa (cây lúa) có thể lưu trữ Si ở mức 10% trọng lượng khô của chồi (thân, lá, hoa) và Si có vai trò quan trọng giúp sản xuất hạt ổn định. Nồng độ Si lắng đọng cao được cho là có tác dụng giảm thiểu thiệt hại do sâu bệnh, mầm bệnh và mất cân bằng dinh dưỡng gây ra. Ở cây lúa, sự hấp thu Si bị chi phối bởi hai loại chất vận chuyển rễ khác nhau, nhưng cơ chế cụ thể liên quan đến Si lắng đọng đặc hiệu của tế bào trong lá lúa vẫn còn là một bí ẩn.

 

Các nhà nghiên cứu tại Đại học OKama, Nhật Bản, đã phát hiện ra Silicon Efflux Transporter 4 (SIET4) là chất vận chuyển giúp cho việc định vị Si trong lá lúa. Các phân tích chức năng của SIET4 trình bày chi tiết về tác động của các đột biến xóa SIET4 đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

 

Nhóm nghiên cứu đã tiến hành một loạt thí nghiệm để tìm hiểu vai trò của SIET4 trong tích lũy Si trong lá, bao gồm tạo ra các đột biến loại trừ (phá hủy gien mục tiêu) và đặc tính chức năng của SIET4 để so sánh cấu hình phiên mã của họ hàng hoang dã (WT) và đột biến SIET4. Các nhà nghiên cứu cũng đã mô tả hoạt động vận chuyển và định vị tế bào của SIET4.

 

Các nhà khoa học xác nhận SIET4 mã hóa một chất vận chuyển Si và được biểu hiện một cách cấu thành trong lá lúa hoang dã. Hơn nữa, chất vận chuyển được giới hạn ở phía xa của tế bào biểu bì và tế bào hình tròn (hỗ trợ cuộn lá để tránh mất nước) của lá.

 

Không giống như lúa hoang, cây lúa thiếu SIET4 có biểu hiện ức chế tăng trưởng và cuối cùng chết khi trồng trong môi trường có Si trong dung dịch dinh dưỡng và đất. Các đặc điểm đặc trưng khác của các đột biến SIET4 là rễ và chồi bị suy giảm, Si lắng đọng bất thường trong tế bào trung mô lá và tạo ra nhiều gien phản ứng với stress. Phát hiện này chỉ ra rằng tích lũy Si không đúng cách trong các mô không được chỉ định cũng giống như phản ứng của cây đối với tác nhân gây stress môi trường.

 

Điều này thể hiện một sự thay đổi mô hình vì từ lâu Si được xem là nguyên tố duy nhất được tìm thấy nhiều trong đất mà không gây hại cho cây trồng. Trong trường hợp cây lúa, những phát hiện này cho thấy các quá trình phức tạp như tích lũy Si cho lá đảm bảo sự sống.

 

Tác giả nghiên cứu kết luận nghiên cứu này giúp mở rộng tầm hiểu biết về cách thực vật tích lũy Si cao và hy vọng tìm thấy các gien như SIET4 ở các loài thực vật khác để có thể giải quyết việc cải thiện năng suất của nhiều loại cây trồng quan trọng hơn.

Tín hiệu jasmonate và những effectors đối với stress mặn trong cây lúa

Tín hiệu jasmonate và những effectors đối với stress mặn trong cây lúa

Nguồn: Simon Ndecky, Trang Hieu Nguyen, Elisabeth Eiche, Valérie Cognat, David Pflieger, Nitin Pawar, Ferdinand Betting, Somidh Saha, Antony Champion, Michael Riemann, Thierry Heitz. 2023. Jasmonate signaling controls negative and positive effectors of salt stress tolerance in rice. J Exp Bot.; 2023 May 19; 74(10):3220-3239. doi: 10.1093/jxb/erad086.

 

 

Phản ứng của cạy đối với stress mặn vao gồm sự tái cấu hình khá lớn của lộ trình hormones thực vật mà chúng điều phối các thay đổi sinh lý hướng đến khả năng chống chịu. Jasmonate (JA) là hormone thực vật rất cần để chống lại các cuộc tấn công có tính chất sinh học và phi sinh học, nhưng vai trò của chúng trong chống chịu mặn còn chưa rõ. Người ta mô tả các động thái của biến dưỡng JA và sự truyền tín hiệu trong rễ,  lá của cây lúa, loài cây trồng thường bị phơi nhiễm rất nhiều với mặn. Rễ lúa làm tăng hoạt lộ trình JA khá sớm, trong khi, lá thứ hai biểu thị phản ứng JA có hai pha với đỉnh cao vào lúc 1 giờ, rồi 3 giờ sau khi phơi nhiễm. Trên cơ sở chống chịu mặn cao hơn của dòng lúa đột biến “JA-deficient mutant” (aoc), người ta xem xét, thông qua hệ transcriptome rất năng động và thông qua phân tích chỉ tiêu sinh lý, Các tiến trình bị kích thích bởi mặn đều nằm dưới sự kiểm soát của JA. Đặc điểm khác biệt về kiểu gen sâu sắc có thể làm cơ sở từ những kiểu hình quan sát được. Hàm lượng abscisic acid (ABA) và các phản ứng chống chịu thiếu nước qua con đường lệ thuộc ABA đều bị suy giảm trong chồi thân cây lúa “aoc”. Hơn nữa, cây lúa “aoc” tích tụ nhiều hơn ion Na+ trong rễ lúa, và ít hơn trong lá lúa, với sự chuyển vị ion giảm xuống tương quan với suy thoái rễ lúa của gen HAK4 Na+ transporter. Gốc ô xy tư do khác biệt nhau (ROS) cũng mạnh mẽ hơn trong lúa lúa cây “aoc”, theo suy giảm mức già hóa cây lúa (senescence) và nhưng chỉ thị của sự dị hóa diệp lục tố. Kết quả xác định được những đóng góp tương phản của tính hiệu JA đối với những sectors khác nhau phản ứng với stress mặn của cây lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36879437/

Jasmonic acid ngoại sinh và di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa

 Jasmonic acid ngoại sinh và di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa

Nguồn: Shunyu Su, Ping Tang, Rubin Zuo, Hongfeng Chen, Tianqi Zhao, Shumin Yang, Jing Yang. 2023. Exogenous Jasmonic Acid Alleviates Blast Resistance Reduction Caused by LOX3 Knockout in Rice. Biomolecules; 2023 Jul 31; 13(8):1197. doi: 10.3390/biom13081197.

 

 

Lipoxygenase 3 (LOX3) là một men peroxidase của lipid được tìm thấy trong phôi hạt lúa. Người ta biết điều đó có ảnh hưởng đấn phẩm chất hạt giống. Thú vị là khi làm mất gen LOX3 kết quả biểu hiện sự cải tiến phẩm chất hạt giống rõ ràng nhưng sẽ mất đi tính kháng bệnh đạo ôn lúa và mất tính chống chịu khô hạn. Để nghiên cứu ảnh hưởng đối kháng ấy, người ta tạo ra một véc tơ có thuật ngữ “LOX3 knockout” (ΔLox3) trong cây lúa (Oryza sativa L.). Tính kháng bệnh đạo ôn và các mức độ phiên mã của các gen trong cây lúa ΔLox3 và những ảnh hưởng ấy của jasmonic acid (JA) ngoại sinh đối với tính kháng bệnh và mức độ phiên mã của các gen cây lúa trong cây ΔLox3 bị Magnaporthe oryzae xâm nhiễm đã được minh chứng. Kết quả là những cây lúa ΔLox3 có kiểu hình bình thường, với mức độ cao của methyl-linolenate và ROS (reactive oxygen species), các gen này có trong ba chu trình KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) đóng góp đáng kể vào phẩm chất hạt thóc. Cây lúa ΔLox3 bị nhiễm nấm M. oryzae biểu hiện các triệu chứng đạo ôn rất nặng với phản ứng tự vệ giảm nhưng sự chết của tế bào bởi ROS lại tăng, các gen này có trong bảy chu trình KEGG  đóng góp vào phẩm chất hạt thóc. Nghiệm thức xử lý JA ngoại sinh đã làm giảm nhẹ triệu chứng bệnh đạo ôn trên cây lúa ΔLox3 bằng cách cản trở sự phát triển của khuẩn ty (hyphal), ứng chế tế bào chết bởi ROS, và gia tăng phản ứng tự vệ, các gen này có trong 12 chu trình KEGG góp phần đáng kể vào phẩm chất hạt thóc. Kết quả chứng minh LOX3 có vai trò quan trọng trong tăng trưởng và sự tự vệ của cây lúa, tính knockout của nó cải tiến được phẩm chất lúa, tính kháng bệnh. Hàm lượng  JA ngoại sinh được cung cấp là cách thức bù đắp cho sự suy giảm phản ứng phòng thủ của dòng lúa “LOX3 knockout”, gợi ra rằng những ứng dụng kết quả này rất tiềm năng trong sản xuất.

 

Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37627262/

 

Hình: Các gen DEGs biểu hiện khá phong phú trong sự truyền tín hiệu hormone thực vật và sinh tổng hợp brassinosteroid trong cây lúa ΔLox3 so sánh với cây lúa nguyên thủy (WT), cây lúa ΔLox3 bị nhiễm M. oryzae so sánh với cây lúa WT bị nhiễm M. oryzae, nghiệm thức JA + cây lúa ΔLox3 nhiễm M. oryzae so sánh với nghiệm thức JA + cây lúa WT nhiễm M. oryzae.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra sự tương tác phân tử của quá trình chuyển hóa cacbon/nitơ trên cây lúa

 Các nhà khoa học đã phát hiện ra sự tương tác phân tử của quá trình chuyển hóa cacbon/nitơ trên cây lúa

Mô hình liên kết tín hiệu glucose với việc sử dụng nitơ bằng phức hợp OsHXK7-ARE4. Nguồn: IGDB.

 

Carbon và nitơ là hai chất dinh dưỡng quan trọng nhất ở các sinh vật sống. Chuyển hóa trao đổi chất của carbon và nitơ được kết hợp chặt chẽ và phối hợp bởi các chất chuyển hóa và con đường truyền tín hiệu khác nhau. Các cơ chế phân tử cảm biến và kiểm soát quá trình chuyển hóa trao đổi carbon và nitơ sau khi thay đổi chất dinh dưỡng môi trường ở thực vật là gì?

 

Để hiểu cơ chế điều chỉnh chuyển hóa carbon/nitơ, nhóm nghiên cứu do giáo sư Zuo Jianru và giáo sư Li Jiayang từ Viện Di truyền và Sinh học Phát triển của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đứng đầu đã xác định rằng các yếu tố chính OsHXK7 và ARE4 liên kết với glucose tín hiệu để sử dụng nitơ trong lúa. Kết quả được công bố trên tạp chí Developmental Cell ngày 5 tháng 7.

 

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu phát hiện ra yếu tố phiên mã liên quan đến MYB ARE4 được giữ lại trong tế bào chất trong một phức hợp với cảm biến glucose OsHXK7. Khi tín hiệu glucose được phát hiện, ARE4 được giải phóng, chuyển vị trí vào nhân và kích hoạt biểu hiện của một tập hợp con các gen vận chuyển nitrat có ái lực cao, do đó làm tăng sự hấp thu và tích lũy nitrat.

 

Các nghiên cứu sâu hơn cho thấy rằng sơ đồ điều chỉnh ARE4 thể hiện một mô hình ngày đêm để đáp ứng với những thay đổi hàng ngày của đường hòa tan và sự biểu hiện quá mức của ARE4 làm tăng kích thước hạt gạo.

 

Những kết quả này cho thấy cơ chế chưa từng được biết đến trước đây, theo đó phức hợp OsHXK7-ARE4 phát hiện tín hiệu đường và sau đó thúc đẩy việc sử dụng nitơ, liên kết trực tiếp quá trình chuyển hóa cacbon và nitơ. Nghiên cứu này có thể xác định các mục tiêu tốt để nhân giống cây trồng năng suất cao.

Đột biến Fragile culm19 (FC19) và kháng đổ ngã của cây lúa

 Đột biến Fragile culm19 (FC19) và kháng đổ ngã của cây lúa

Nguồn: Z Dang, Y Wang, M Wang, L Cao, N Ruan, YW Huang, FC Li, Q Xu, WF Chen. 2023. The Fragile culm19 (FC19) mutation largely improves plant lodging resistance, biomass saccharification, and cadmium resistance by remodeling cell walls in rice. Journal of Hazardous Materials; Volume 458, 15 September 2023, 132020

 

Thành tế bào giúp cây tăng trưởng thẳng đứng, đường hóa sinh khối, và kháng được stress. Mặc dù sự cải biên thành tế bào được người ta đề nghị như những phương pháp hiệu quả làm tăng đường hóa sinh khối (biomass saccharification), nhưng thách thức làm sao duy trì được tăng trưởng bình thường của cây với cải tiến độ cứng cây lúa và chống stress. Ở đây, người ta ghi nhận có hai đột biến gen fragile culm, đó là fc19–1 và fc19–2, từ kết quả đột biến mới của gen OsIRX10, thông qua đột biến có chủ đích nhờ hệ thống CRISPR/Cas9. So với cây đối chứng (wild-type), hai dòng đột  biến này biểu hiện sự suy giảm hàm lượng xylose, hemicellulose, và cellulose, sự tăng lên hàm lượng arabinose và lignin mà không làm thay đổi mức độ của pectin cũng như uronic acids. Cho dù còn giòn (brittleness), như các dòng đột biến hiển thị lực gãy tăng lên, dẫn đến cải tiến được tính kháng đổ ngã của cây lúa. Như vậy, thành tế bào được cải biên và tăng độ xốp sinh khối (biomass porosity) trong dòng lúa fc19 làm tăng đáng kể đường hóa sinh khối. Đáng chú ý là, các dòng đột biến này biểu thị tính kháng tăng lên đối với cadmium (Cd) với tích tụ Cd thấp hơn trong rễ lúa và chồi thân. Đột biến FC19 tác động đáng kể mức độ phiên mã của những gen chủ lực góp phần điều khiển sự hấp thu Cd, cô lập nó (sequestration), và chuyển vị nó đi (translocation). Hơn nữa, kết quả transcriptome cho thấy đột biến FC19 làm thay đổi các gen chủ yếu gen chức năng trong biến dưỡng carbohydrate và phenylpropanoid. Do vậy, một mô hình giả thuyết được đề nghị nhằm làm sáng tỏ thành tế bào theo kết quả đột biến FC19 dẫn đến cải thiện tính trạng chống chịu đỗ ngã, đường hóa sinh khối và kháng Cd.

 

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304389423013031

Du nhập gen kháng đạo ôn tạo ra giống cao sản CO 51 kháng bệnh phổ rộng và bền vững

Du nhập gen kháng đạo ôn tạo ra giống cao sản CO 51 kháng bệnh phổ rộng và bền vững

Nguồn: Thiyagarajan Thulasinathan, Bharathi Ayyenar, Rohit Kambale, Sudha Manickam, Gopalakrishnan Chellappan, Priyanka Shanmugavel, Manikanda B Narayanan, Manonmani Swaminathan, Raveendran Muthurajan. 2023. Marker Assisted Introgression of Resistance Genes and Phenotypic Evaluation Enabled Identification of Durable and Broad-Spectrum Blast Resistance in Elite Rice Cultivar, CO 51. Genes (Basel); 2023 Mar 15; 14(3):719. doi: 10.3390/genes14030719.

 

Trên toàn thế giới, canh tác lúa bị bệnh đạo ôn gây hại vô cùng nghiêm trọng bởi nấm Magnaporthe oryzae. Bệnh làm thiệt hại năng suất trong những năm vừa qua. Về nguyên tắc, chiến lược hợp lý và thân thiện với môi trường nhất là du nhập gen kháng vào giống cao sản tử giống cho nguồn kháng (donor). Tuy nhiên, ở đây không những chỉ có thách thức làm sao tiến hóa của các dòng lúa kháng thông qua chọn giống truyền thống, mà còn thời gian lai tạo và chọn lọc rất lâu. Do đó, chọn dòng kháng nhờ chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng được người ta đề nghị như một chiến lược nhanh chóng để phát triển giống lúa kháng bệnh phổ rộng và bền vững. Nghiên cứu này tiến hành du nhập gen đích, i.e., gen Pi9, vào giống lúa CO 51, giống cao sản mà giống lúa ấy đang có một gen kháng khác là Pi54. Sự hiện diện của hai gen kháng đạo ôn thành công nhờ vật liệu con lai hồi giao cải tiến (BC2F2:3) được xác định trong kết quả nghiên cứu này thông qua phương pháp chọn lọc “foreground selection” với những markers như NBS4 và Pi54MAS có chức năng.Các dòng lúa được chọn theo hướng du nhập tích cực như vậy được đánh giá kiểu gen với 55 chỉ thị phân tử SSR; đặc trưng cho CO 51. Kết quả ghi nhận cả hai gen Pi9 cũng như Pi54 được tích hợp vào một dòng lúa, với 82.7% và 88.1% kết quả phục hồi hệ gen bố mẹ tái tục (recurrent parent genome recovery), chúng được phân lập thành công và các dòng lúa đã chọn được đánh giá tại điểm nóng của bệnh đạo ôn. Kết quả phân tích cho thấy các dòng có mức độ kháng cao với bệnh đạo ôn trong giai đoạn mạ. Bên cạnh đó, người ta còn ghi nhận được các dòng ưu việt mang gen Pi9 + Pi54 tỏ ra hiệu quả về bản chất tự nhiên và biểu hiện mức độ kháng cao với bệnh đạo ôn so với các dòng được du nhập chỉ có một gen đơn. Đây là kết quả chọn lọc nhanh và thành công, tích hợp 2 gen kháng, với sự giúp đỡ của markers. Dòng lúa “pyramided” (chồng gen) có thể được khai thác làm nguồn vật liệu cho gen đích phục vụ cải tiến giống lúa cao sản kháng bệnh đạo ôn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36980991/

 

Hình: Bản đồ GGT của các dòng lúa hồi giao cải tiến. Màu đỏ là đồng hợp tử alen của giống CO 51 (giống tái tục). Màu xanh dương là đồng hợp alen của giống 562-4 (donor) và màu xanh lá cây nhạt là vùng của alen dị hợp tử.

Giống lúa biến đổi gen đáp ứng vơi biến đổi khí hậu và sức khỏe con người

 Giống lúa biến đổi gen đáp ứng vơi biến đổi khí hậu và sức khỏe con người

Nguồn: Kaori Kobayashi, Xiaohui Wang and Weiqun Wang. 2023. Genetically Modified Rice Is Associated with Hunger, Health, and Climate Resilience. Foods 2023, 12(14), 2776; https://doi.org/10.3390/foods12142776

 

Gần một trong chín người trên thế giới này đang bị đói, một trong tám người bị béo phì, và tất cả số phận của họ đang bị đe dọa bới biến đổi khí hậu. Sản xuất lúa, một loài mễ cố quan trọng và ổn định cho dân cư trên thế giới, đang đối mặt với biến đổi khí hậu, bùng nổ dân số, và sự có mặt đồng thời của nạn đói, béo phì trên trái đất này. Nội dung nói trên có thể được  giải quyết ít nhất phần nào nhờ công nghệ cải biên di truyền. Kỹ thuật di truyền đã và đang được phát triển như vũ bão hơn một thế kỷ. Giống lúa GM được chấp nhận bởi ISAAA’s GM approval database như kết quả tiêu dùng an toàn cho nhân loại. D0a82ng sau kết quả giống lúa này người ta còn có mục đích cải tiến năng suất lúa,  giá trị dinh dưỡng của nó, và đảm bảo an toàn lương thực của lúa gạo. Bài tổng quan cung cấp cho chúng ta tóm tắt về cơ sở dữ liệu cây lúa GM và vai trò đầy tiềm năng của giống lúa ấy trong cải thiện gánh nặng kép  về khiếm dưỡng, trước hết tăng phẩm chất dinh dưỡng cũng như dạng hạt thóc và năng suất hạt. Người ta còn quan tâm đến những tiện ích về sức khỏe của  một số thành phần hoạt tính sinh học được tạo ra bởi giống lúa GM. Bên cạnh đó, người ta đã thảo luận những giải pháp khả thi đối với những thách thức nói trên, bao gồm sử dụng giống cây trồng GM và xác định những QTLs (quantitative trait loci) điều khiển khối lượng hạt, phẩm chất dinh dưỡng. Đặc biệt là một QTL điều khiển khối lượng hạt trên nhiễm sắc thể 6 được người ta phân lập thành công, locus này được khuếch đại bởi Kasa allele, làm cho tăng cường khối lượng hạt và hạt gạo lứt. Biểu hiện mạnh mẽ gen đích của cây lúa Oryza sativa tại màng plasma H+-ATPase1, được người ta quan sát và ghi nhận để cải tiến khả năng hấp thu, khả năng đồng hóa ammonium của rễ lúa, cũng như tăng cường độ mở khí khổng, hiệu suất quang hợp của lá lúa trong điều kiện ánh sáng tốt. Nghiên cứu dòng hóa gen đích cũng có thể xác định được nhiều QTLs mong muốn bao gồm tính trạng khối lượng hạt và phẩm chất dinh dưỡng. Cuối cùng, nghiên cứu này thảo luận nguy cơ tăng lên của biến đổi khí hậu ví dụ phát thải khí methane, khí nitrous oxide và sự ấm lên toàn cầu, làm thế nào chúng có thể được cải tiến đáng kể nhờ nhờ giống lúa GM thông qua cải biên kỹ thuật quản lý nước. Góp lại tất cả, đây là tổng quan quan trọng trong lĩnh vực “bioactive components” (thành phần hoạt tính sinh học) cu3aha5t mễ cốc và công nghệ thực phẩm để sản xuất ra thực phẩm chất lượng cao, có chức năng nhờ kỹ thuật di truyền.

 

Xem https://www.mdpi.com/2304-8158/12/14/2776

 

Giải pháp Lúa Vàng (Golden Rice) (Saini et al., 2020)

Osa-miR162a tăng cường tính kháng rầy nâu thông qua cơ chế biến dưỡng α-linolenic acid trong cây lúa (Oryza sativa)

 Osa-miR162a tăng cường tính kháng rầy nâu thông qua cơ chế biến dưỡng α-linolenic acid trong cây lúa (Oryza sativa)

Nguồn: Jie Chen, Qin Liu, Longyu Yuan, Wenzhong Shen, Qingxing Shi, Guojun Qi, Ting Chen, Zhenfei Zhang. 2023. Osa-miR162a Enhances the Resistance to the Brown Planthopper via α-Linolenic Acid Metabolism in Rice ( Oryza sativa). J Agric Food Chem; 2023 Jul 26. doi: 10.1021/acs.jafc.3c02637. 

 

Rầy nâu (BPH) là côn trùng gây hại lúa nghiêm trọng nhất gây thất thoát năng suất lúa. MicroRNAs (miRNAs) được xem xét như như những modulators chủ chốt trong tương tác giữa cây chủ và sâu hại. Theo nghiên cứu này, osa-miR162a được kích hoạt trong phản ứng của cây lúa khi bị rầy nâu tấn công ở giai đoạn mạ, chuyển trạng thái kháng của cây lúa đối với BPH thông qua lộ trình biến dưỡng α-linolenic acid nhờ kết quả phân tích sắc ký khối phổ lồng ghép (gas chromatography/liquid chromatography-mass spectrometry). Biểu hiện mạnh mẽ của osa-miR162a làm ức chế sự tăng trưởng và phát triển của rầy nâu, đồng thời làm giảm việc phóng thích 3-hexenal và 3-hexen-1-ol của rầy, để khóa lại khả năng ghi nhận cây chủ của rầy nâu. Hơn nữa, knockdown gen OsDCL1, mà gen này được làm đích bởi osa-miR162a, ức chế biến dưỡng α-linolenic acid để làm tăng tính kháng BPH, điều này giống với cây lúa biểu hiện mạnh mẽ  miR162a. Kết quả này làm rõ cơ chế tự vệ mới thông qua di truyền biểu sinh với phân tử miRNAs, chúng được phát triển trong quá trì tiến hóa lâu dài khi có tương tác giữa ký chủ và sâu hại, kết quả cung cấp ý tưởng mới trong xác địnhnguồn kháng của cây lúa, và tăng cường sự hiểu biết tốt hơn về quả lý sâu hại.

 

See https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37493591/

Bản đồ di truyền hệ vi sinh vật rễ lúa và vai trò của chúng giúp cây lúa chịu hạn

 Bản đồ di truyền hệ vi sinh vật rễ lúa và vai trò của chúng giúp cây lúa chịu hạn

Nguồn: Beatriz Andreo-Jimenez, Dennis E Te Beest, Willem Kruijer, Nathan Vannier, Niteen N Kadam, Giovanni Melandri, S V Krishna Jagadish, Gerard van der Linden, Carolien Ruyter-Spira, Philippe Vandenkoornhuyse, Harro J Bouwmeester  . 2023. Genetic Mapping of the Root Mycobiota in Rice and its Role in Drought Tolerance. Rice (N Y); 2023 May 22; 16(1):26. doi: 10.1186/s12284-023-00641-4.

 

 

Lúa là giống cây trồng quan trọng thứ hai trên thế giới, nhưng rất dễ bị tổn thương bởi khô hạn. Vi sinh vật có thể làm giảm tác động của hạn hán. Mục đích của nghiên cứu này là làm sáng tỏ các yếu tố di truyền liên quan đến tương tác giữa cây lúa và vi sinh vật, ở đó, di truyền có vai trò chống chịu khô hạn cho cây lúa. Với lý do ấy, tập đoàn các vi sinh vật đất trồng lúa (root mycobiota) được định tính trong 296 mẫu giống lúa trồng (Oryza sativa L. subsp. indica) trong nghiệm thức đối chứng và nghiệm thức xử lý khô hạn. người ta áp dụng GWAS (genome wide association study) để làm bản đồ di truyền “association”. Kết quả phân lập được 10 chỉ thị SNPs có ý nghĩa (giá trị LOD > 4) gắn liền với sáu loài nấm “root-associated fungi”, đó là Ceratosphaeria spp., Cladosporium spp., Boudiera spp., Chaetomium spp., và một ít fungi khác thuộc bộ Rhizophydiales. Bốn chỉ thị SNPs gắn với tính chống chịu khô hạn do nấm làm trung gian đã được tìm thấy. Các gen đích định vị xung quanh chỉ thị SNPs, đó là các gen mã hóa DEFENSIN-LIKE (DEFL) protein, EXOCYST TETHERING COMPLEX (EXO70), RAPID ALKALINIZATION FACTOR-LIKE (RALFL) protein, peroxidase và xylosyltransferase. Chúng còn được biết có trong phản ứng tự vệ với pathogen, phản ứng stress phi sinh học, tiến trình “remodeling” thành tế bào. Kết quả nghiên cứu cho thấy: di truyền học cây lúa ảnh hưởng đến  sự tương thích của nấm (recruitment of fungi), một vài loài nấm có ảnh hưởng năng suất lúa trong điều kiện khô hạn. Người ta đã phân lập những gen ứng cử viên phục vụ công tác lai tạo giống lúa nhằm cải tiến sự tương tác giữa cây lúa và nấm, nhờ vậy, tăng cường tính chống chịu khô hạn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37212977/

 

Hình: Ảnh hưởng của cộng đồng nấm có liên quan đến năng suất cây chủ. (a) Giản đồ Manhattan plots trong GWAS, chỉ rõ SNPs liên quan đến RDA scores theo phân tích tương tác giữa quần thể nấm với năng suất lúa. (b) Danh sách chỉ thị SNPs gắn với clusters của trình tự DNA nấm. (c) Ảnh hưởng allelic của hai SNPs có giá trị LOD score cao nhất (một định vị trên NST 1, một trên NST 4).

Biến dị DROT1 và tính thích nghi khô hạn ở lúa

 Biến dị DROT1 và tính thích nghi khô hạn ở lúa

Lúa rẫy/nương được trồng trong điều kiện môi trường/đất hiếu khí và có khả năng chống chịu với điều kiện khô hạn. Tuy nhiên, cơ sở di truyền của tính trạng thích nghi điều kiện khô hạn và hiếu khí này vẫn chưa được hiểu rõ ràng, vì vậy có thể ảnh hưởng đến việc tận dụng biến dị gen/di truyền của nguyên vật liệu này trong chọn tạo giống lúa. Trong công trình được công bố trên tạp chí Nature Communications (2022) gần đây, TS. Sun và cộng sự ở Học viện nông nghiệp Trung Quốc đã sử dụng kết hợp phương pháp GWAS và phân tích dòng lúa được du nhập gen và transcriptomic, đã nhận dạng một gen DROUGHT 1 (DROT1) có thể kiểm soát tính kháng khô hạn ở lúa rẫy. Gen DROT1 mã hóa một dạng protein COBRA và nó biểu hiện chuyên biệt trong mô mạch. Protein này được điều hóa trực tiếp bởi yếu tố phiên mã ERF3 và ERF71. DROT1 gia tăng tính kháng khô hạn bằng cách gia tăng hàm lượng cellulose và duy trì tính kết tinh cellulose (ảnh hưởng độ bền và cứng của cellulose và nguyên liệu từ cellulose) thông qua việc điều chỉnh cấu trúc vách tế bào. Biến dị ở nucleotide C thành T trong yếu tố điều hòa phiên mã (promoter) sẽ làm gia tăng sự biểu hiện DROT1 và tính kháng khô hạn ở lúa rẫy. Kiểu gen đơn bội hay một biến thể của một trình tự nucleotide trong nhiễm sắc thể của DROT1 ở lúa rẫy có thể bắt nguồn từ lúa hoang O. Rufipogon và có thể có ích rất nhiều cho việc chọn tạo giống lúa rẫy.

 

 

Nguồn: Hình ảnh được trích từ bài báo của TS. Sun và cộng sự đăng trên tạp chí Nature Communications (2022). a: tính kháng khô hạn của drot1-1 và IL349. b: tính kháng khô hạn của dòng chuyển gen chứa DROT1 và đối chứng. Cây lúa tăng trưởng trong điều kiện bình thường 4 tuần và sau đó được xử lý khô hạn cho 15 ngày, và được cung cấp nước trở lại cho 10 ngày sau khi xử lý khô hạn.

 

Theo CLRRI

 Nguồn: https://doi.org/10.1038/s41467-022-31844-w.

Tài liệu tham khảo

Xingming Sun, Haiyan Xiong, Conghui Jiang, Dongmei Zhang, Zengling Yang, Yuanping Huang, Wanbin Zhu, Shuaishuai Ma, Junzhi Duan, Xin Wang, Wei Liu, Haifeng Guo, Gangling Li, Jiawei Qi, Chaobo Liang, Zhanying Zhang, Jinjie Li, Hongliang Zhang, Lujia Han, Yihua Zhou, Youliang Peng & Zichao Li. Natural variation of DROT1 confers drought adaptation in upland rice. Nature Communications 13:4265 (2022).

 

Các nhà nghiên cứu phát triển một chiến lược mới tìm hiểu tính trạng của cây lúa dựa trên việc thu nhận và phân tích các hình ảnh

  Các nhà nghiên cứu phát triển một chiến lược mới tìm hiểu tính trạng của cây lúa dựa trên việc thu nhận và phân tích các hình ảnh

Các nhà nghiên cứu từ Viện Phát triển Di truyền và Sinh học của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và nhóm của Giáo sư Yang Wanneng từ Đại học Nông nghiệp Huazhong đã phát triển một chiến lược thu nhận và phân tích 58 tính trạng dựa trên hình ảnh (i-traits) trong toàn bộ thời kỳ sinh trưởng của cây lúa. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Plant Phenomics.

 

Trong nghiên cứu này, dựa trên các hình ảnh tính trạng i-trait thu được, có tới 84,8% phương sai kiểu hình trong năng suất lúa có thể được giải thích bằng 8 tính trạng trong số tất cả các tính trạng i-trait được xem xét và do đó những tính trạng này có thể được sử dụng để dự đoán kết quả về năng suất lúa chính xác hơn so với dự đoán được thực hiện với các nhóm tính trạng i-trait khác. Kết quả cho thấy các tính trạng i-trait thu được ở đây có thể phản ánh toàn diện tình trạng sinh trưởng của cây lúa, ngoại trừ năng suất cuối cùng.

 

Tiếp tục khám phá khả năng thích ứng môi trường, xém xét sự sinh trưởng và phát triển cây trồng, điều này cũng cho phép khả năng mở rộng biên độ vĩ độ của khu vực chọn tạo giống, khi mà khu vực lai tạo giống được chia thành các mức vĩ độ khác nhau.

 

Điều thú vị là ngoài HS của lúa Japonica cho thấy mối tương quan nghịch ngày càng tăng với khu vực vĩ độ, một số tính trạng cho thấy mối tương quan với khu vực vĩ độ với sự khác biệt đáng kể giữa các nhóm lúa, chẳng hạn như PanicleTPA và TFN của lúa Indica, điều này có thể giải thích sự khác biệt về năng suất của các giống lúa khác nhau với sự khác biệt về môi trường địa lý của vùng chọn tạo giống.

 

Sự khác biệt trong các loài lúa được phân tích bằng cách sử dụng các đặc điểm kiểu hình dựa trên hình ảnh, ngoài PlantYpar, cho biết mức độ lão hóa ở cấp độ toàn bộ cây và lá, đồng thời các tính trạng HS, AveLW và PanicleYPA cũng cho thấy sự khác biệt đáng kể.

 

Ngoài ra, PCA cũng được thực hiện đối với các đặc điểm lúa theo chiều hình thể-thời gian và GWAS sử dụng điểm số PC được sử dụng để xác định các yếu tố di truyền. Trong số các giá trị PC của hình thể và các đặc điểm thời gian, một QTL trên nhiễm sắc thể 3, với SNP dẫn đầu trên nhiễm sắc thể 3: 24262598, đã được phát hiện bởi cả hình thể và PC tạm thời, cho thấy locus này xứng đáng được nghiên cứu thêm trong tương lai với các xác nhận bằng cách sử dụng tấm phim lớn hơn.

 

Như một bằng chứng về khái niệm, nghiên cứu đã chứng minh giá trị tiềm năng của con đường này trong các nghiên cứu hiện tượng khó dự báo và cung cấp tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tương tự tiếp theo trong tương lai

Dự báo tiềm năng năng suất cây lúa.

A. Hình ảnh thu được từ cây lúa; B. Các thời kỳ đẻ nhánh và sinh trưởng của lúa; C. Sự phân nhóm và phân chia vùng của các kiểu gen lúa khác nhau; D. Phân tích i-traits. Nguồn: IGDB.