Các nhà khoa học thêm bản sao thứ hai của gen giúp năng suất lúa tăng 40%

 Các nhà khoa học thêm bản sao thứ hai của gen giúp năng suất lúa tăng 40% 

Đinh Thị Lam theo Phys.org

Một nhóm các nhà nghiên cứu đến từ Trung Quốc và Đức đã tăng năng suất lúa lên 40% bằng cách thử nghiệm bản sao thứ hai của một gen nhất định. Trong công bố của họ đăng trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu mô tả công việc của họ trong việc cải thiện năng suất lúa nhằm đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng trong bối cảnh dân số toàn cầu tiếp tục gia tăng. Steven Kelly thuộc Đại học Oxford, đã xuất bản một bài báo phác thảo công việc mà nhóm đã thực hiện ở Trung Quốc.

Khi dân số thế giới tiếp tục tăng, các nhà khoa học đang tìm cách để có thêm lương thực từ những vùng đất sẵn có. Trong nỗ lực mới này, họ đã xem xét cải thiện năng suất lúa bằng cách biến đổi DNA di truyền để khuyến khích các cây cá thể tạo ra nhiều hạt gạo hơn.

Những loài thực vật mà con người đã chọn để canh tác xảy ra từ nhiều năm trước. Tuy nhiên, nghiên cứu chỉ ra rằng không phải tất cả đều quang hợp tốt như nhau. Ví dụ, ngô quang hợp rất hiệu quả, trong khi lúa kém hơn nhiều. Do đó, các nhà khoa học đã tìm cách cải thiện hiệu quả quang hợp ở cây lúa.

Kelly cho biết, công việc của họ bắt đầu bằng cách tìm hiểu cách thức cây lúa phản ứng với những thách thức như nguồn dinh dưỡng cạn kiệt. Họ phát hiện ra rằng sự biểu hiện của gen OxDREBIC, một yếu tố phiên mã, được điều chỉnh tăng lên khi cây phát triển trên đất nghèo nitơ. Sau đó, họ có thể thúc đẩy cây có biểu hiện quá mức OxDREBIC bằng cách thêm bản sao thứ hai của gen này từ một cây khác vào DNA của nó. Họ nhận thấy những cây có bản sao thứ hai tạo ra nhiều hạt hơn từ 12% đến 40% so với nhóm đối chứng. Làm tương tự với cây lúa mì sẽ tăng năng suất 10%. Những cây lúa bị biến đổi có thể lấy nitơ từ đất hiệu quả hơn và quá trình trổ bông cũng diễn ra nhanh hơn.

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng kỹ thuật của họ có thể được thực hiện tốt như các kỹ thuật chỉnh sửa gen, mà không liên quan đến việc sử dụng gen từ cây trồng khác, điều này có thể giảm sự đối kháng khi sử dụng nó trong các sản phẩm thương mại.

 

 

Vai trò OsDREB1C và năng suất lúa

 Vai trò OsDREB1C và năng suất lúa

Nguồn: Shao Bo Wei et al. 2022. A transcriptional regulator that boosts grain yields and shortens the growth duration of rice. SCIENCE; 22 Jul 2022; Vol 377, Issue 6604; DOI: 10.1126/science.abi8455

 

Hình: OsDREB1C tương ứng với năng suất và thời gian sinh trưởng.

 

OsDREB1C được xác định là phản ứng với ánh sáng và nitrogen thấp trong kết quả sàng lọc di truyền với 118 yếu tố phiên mã (transcription factors) liên quan đến quang hợp C₄. Hoạt động phiên mã của những gen mang tính chất multiple downstream target bởi OsDREB1C làm tăng cường hoạt động quang hợp, cải tiến hiệu quả sử dụng nitrogen, và tính trạng trổ bông sớm. Những gen bị kích hoạt ấy tạo nên kết quả tăng năng suất lúa và lúa mì.

Những tiến trình sinh học vô cùng phức tạp như vậy đối với tăng trưởng và phát triển thường được kiểm soát bởi những TFs (transcription factors) chúng điều tiết sự biểu hiện hàng loạt sự kiến lớn của các gen và kích hoạt những TFs mang tính chất thứ yếu (subordinate transcription factors) theo mô hình dòng chảy thác nước (cascade-like fashion) của phosphoryl hóa. Ở đây, kết quả sàng lọc những TFs ứng cử viên liên quan đến quang hợp của cây lúa, người ta xác định một phân tử của học protein DREB (Dehydration Responsive Element Binding), đó là OsDREB1C, mà sự biểu hiện của nó bị kích thích bởi cả ánh sáng mặt trời và tình trạng nitrogen thấp. người ta chứng minh rằng OsDREB1C điều khiển các lập trình phiên mã mang tính chất chức năng rất khác biệt nhau xác định được khả năng của quang tổng hợp, sử dụng nitrogen, và thời gian lúa trổ bông. Kết quả thí nghiệm ngoài đồng cho thấy sự biểu hiện mạnh mẽ của gen OsDREB1C làm cây lúa gia tăng năng suất 41.3 đến 68.3%, thời gian sinh trưởng rút ngắn hơn, hiệu quả hấp thu nitrogen được cải tiến hơn, phân bố nguồn đến sức chứa hiệu quả hơn, do đó, nó cho chúng ta một chiến lược nhắm đến mục đích gia tăng đến mức cần thiết năng suất trong nông nghiệp, trong ngữ cảnh dân số tiếp tục bùng nổ, mà đất trồng trọt ngày càng giảm.

Xem https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8455

 

Gen chủ lực qFC6 và tính trạng phẩm chất hạt gạo

Gen chủ lực qFC6 và tính trạng phẩm chất hạt gạo

Nguồn: Duo Xia, Hao Zhou, Yipei Wang, Yiting Ao, Yanhua Li, Jinjie Huang, Bian Wu, Xianghua Li, Gongwei Wang, Jinghua Xiao, Qiaoquan Liu & Yuqing He. 2022.  qFC6, a major gene for crude fat content and quality in rice. Theoretical and Applied Genetics August 2022; vol. 135: 2675–2685

 

qFC6, là một locus số lượng liên quan đến tính trạng hàm lượng chất béo thô (crude fat) của gạo, được người ta thực hiện fine mapped có tính chất đồng nhất với gen Wx. FC6 điều tiết một cách thụ động hàm lượng crude fat và phẩm chất gạo.

Tinh bộ, protein và lipids là ba hợp phần chính trong nội nhũ gạo. Hàm lượng lipids trong gạo ảnh hưởng đến cả thời gian tồn trữ và chất lượng gạo. Theo nghiên cứu này, người ta phân lập được một QTL (quantitative trait locus), có tên là qFC6, đối với tính trạng crude fat (free lipids) thông qua phần tích di truyền mang tính chất association và tính chất linkage. Phân tích GWAS cho thấy LOC_Os06g04200, còn được gọi là Wx, chính là gen ứng cử viên của qFC6. Dòng mang tính chất bổ sung và dòng transgenic mang tính chất knockout cho kết quả Wx điều tiết một cách tiêu cực và thụ động hàm lượng crude fat. Thành phần lipid và hàm lượng lipid trong phân tích sắc ký gas, phân tích đánh giá vị giác cho kết quả: FC6 có ảnh hưởng tích cực đến hàm lượng bound lipids và ảnh hưởng tiêu cực cả hai tính trạng “hàm lượng lipid” và “vị ngon của cơm”. Bên cạnh đó, giống lúa có “free lipids” càng cao, hạt cơm càng bóng (lustrous appearance), bởi hàm lượng dầu dư thừa có thể cải tiến độ bóng và vị ngon của cơm, điều ấy khẳng định hàm lượng “free lipids” càng cao càng làm hạt cơm càng bóng và ngon. Người ta dòng hóa một QTL liên quan đến hàm lượng crude fat trong gạo, tính trạng phẩm chất cơm (eating quality) và hỗ trợ cho luận điểm di truyền học về tính trạng “rice lipid” để phục vụ cho cải tiến giống lúa có phẩm chất cơm ngon.

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-022-04141-9

Yếu tố phiên mã NAC17 của cây lúa và sự tích tụ lignin, chống chịu lạnh

 Yếu tố phiên mã NAC17 của cây lúa và sự tích tụ lignin, chống chịu lạnh

Se Eun Jung, Tae Hwan Kim, Jae Sung Shim, Seung Woon Bang, Ho Bin Yoon, Shin Hee Oh, Youn Shic Kim, Se-Jun Oh, Jun Sung Seo, Ju-Kon Kim. Rice NAC17 transcription factor enhances drought tolerance by modulating lignin accumulation. Plant Science; Available online 30 July 2022, 111404

Thực vật đã và đang phát triển một hệ thống để thích nghi với stress khô hạn, nó được khởi động bởi các hệ thống truyền tín hiệu mang tính chất bản năng, bao gồm điều hòa chức năng phiên mã. Ở đây, tác giả phân lập được chức năng của gen OsNAC17, một thành viên của họ TF (yếu tố phiên mã) có tên là NAC (NAM, ATAF, và CUC2), trong cơ chế chống chịu hạn. OsNAC17 định vị trong nhân tế bào, biểu hiện rất đáng kể khi bị kích hoạt trong nghiệm thức xử lý khô hạn. Xét nghiệm có tính chất transactivation trên nấm men (yeast) cho thấy OsNAC17 là một activator trong phiên mã, mang một domain rất tích cực hoạt động tại đầu C. Sự biểu hiện mạnh mẽ (OsNAC17^OX) trong cây transgenic biểu hiện chống chịu được khô hạn, và khi knock-out (OsNAC17^KO) cây biểu hiện kiểu hình nhạy cảm với khô hạn so sánh với cây non-transgenic. Những nghiên cứu sâu hơn cho thấy OsNAC17 điều tiết một cách tích cực các gen có chức năng sinh tổng hợp lignin  và làm tăng cường sự tích tụ lignin trong lá lúa và trong rễ lúa. Kết hợp lại, nhiên cứu cho thấy gen OsNAC17 đóng góp vào kết quả chống chịu khô hạn thông qua sinh tổng hợp lignin của cây lúa.

 

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168945222002291#!

 

Di truyền tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa (Oryza sativa L.)

 Di truyền tính trạng chống chịu thiếu lân của cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Dinh Thi Lam. 2021. Studies on wild genetic resources to improve phosphorus deficiency tolerance in rice (Oryza sativa L.). PhD Thesis Abstract. The United Graduate School of Agricultural Sciences - Iwate University, JAPAN. IAS English News (iasvn.org)

 

 

Lúa hoang, chi Oryza là nguồn cung cấp gen cho trong chương trình cải tiến giống lúa vì tính đa dạng di truyền cao của các loài hoang dại. Ở đây, nhóm tác giả nghiên cứu biến dị di truyền của hệ gen chloroplast (maternal lineage) trong quần thể lúa hoang Oryza rufipogon được thu thập ở ĐBSCL; sử dụng 8 chỉ thị phân tử cpINDELs. Trong 166 mẫu giống lúa hoang ở ĐBSCL có tất cả 10 plastid types, mang 5 dạng hình độc đáo và khác biệt hẳn với mẫu đối chứng trong ngân hàng gen. Thực hiện “re-sequencing” hệ gen ty thể bộ thu nhận kết quả hai markers mất hoặc bị khuyết, mà kết quả được minh chứng bằng điện di PCR. Sản phẩm PCR của gen orf153 và vùng trình tự “upstream” được sử dụng làm phân tử thăm dò (probes), xác định mất đoạn bằng chạy Southern blot. Hai deletions này đều hiện diện trong cùng một nền di truyền tế bào chất (single maternal lineage). Đa dạng di truyền và quan hệ di truyền huyết thống được đánh giá thông qua 20 chỉ thị SSR cho kết quả: quần thể lúa hoang của Đồng Tháp Mười đạt giá trị cao nhất, He=0.659; quần thể lúa hoang vùng tây Sông hậu thành phố Cần Thơ đạt giá trị thấp nhất, He=0.300. Do đó, mẫu lúa hoang Đồng Tháp Mười được sử dụng để nghiên cứu. Phân tích di truyền tính trạng chống chịu thiếu lân trên đất phèn từ Oryza rufipogon (Acc. 106412, Tràm Chim), thông qua dòng dẫn xuất của nó là AS996. Giống tái tục làm mẹ là IR64. Quần thể con lai F₂ và quần thể con lai hồi giao được sử dụng làm bản đồ liên kết. Tổng số 391 dòng con lai của tổ hợp lai IR64 x AS996 được thanh lọc chống chịu lân trong môi trường dinh dưỡng Yoshida. Nghiệm thức thiếu lân (0.5 mg P₂O₅ / L) và đủ lân (10.0 mg P₂O₅ /L).  Muốn nghiên cứu sự hiện hữu của gen PSTOL1, người ta sử dụng 5 cặp mồi phủ trên vùng gen đích 975 bp (CDS region). Kết quả đánh giá kiểu hình, giống lúa AS996 có số chồi cao hơn giống lúa IR64 trong nghiệm thức thiếu lân. Hàm lượng P trong rễ, thân, lá trên thân chồi chính và lá trên cùng được đo vào lúc lúa đẻ nhánh và lúa thu hoạch. So sánh chuỗi trình tự với hệ trình tự tham chiếu (sequence alignment), chạy phân tích RNA-seq và điện di PCR xác minh được sự hiện diện của PSTOL1 trong AS996, IR64, Oryza rufipogon (Acc. 106412). Tất cả được thực hiện nhờ công cụ “CLC Genomics Workbench”. Trình tự gen Pup của giống lúa Kasalath được sử dụng làm trình tự tham chiếu để phát hiện ra  các chỉ thị SNPs liên quan đến gen PSTOL1. Các gen DEGs biểu hiện cùng profile như nhau với nghiệm thức thiếu lân và đủ lân của AS996 và IR64, được người ta phân lập ra thành các gen có tính chất độc lập với P. Tổng cộnng 276 DEGs có trong chồi thân và 184 DEGs có trong rễ lúa được xác định sau khi sàng lọc DEGs và các gen có tính chất “P-independent”. Kết quả dự đoán được những đọn phân tử du nhập từ lúa hoang vào lúa trồng bằng chạy NGS (next generation sequencing). Kết quả khẳng định tần suất chỉ thị SNPs của AS996 cao hơn rất nhiều so với IR64. Những đoạn phân tử lớn được tìm thấy trên nhiễm sắc thể 4, nhiều hơn ở giống lúa AS996 so với giống IR64. Những vùng phân tử ứng cử viên khác cũng được quan sát; ví dụ đoạn 9.5-10.13 Mb trên nst 2; 6.16-6.2 Mb và 24.1-24.7 Mb trên nst 5. Từ nhiễm sắc thể 7  đến nst 12, có 2 đoạn phân tử ứng cử viên được tìm thấy  21.74-21.80 Mb trên nst 11 và đoạn  22.24-13-39 trên nst 12.

Tính trạng chống chịu thiếu lân của AS996 bên cạnh hiệu quả sử dụng lân cao sẽ đáp ứng được yêu cầu chọn tạo giống lúa cao sản trong điều kiện phân lân được bón vào hạn chế và hiệu quả nhả lân trong đất acid khá thấp.

Xem http://iasvn.org/en/chuyen-muc/DINH-THI-LAM.-2021.-Studies-on-wild-genetic-resources-to-improve-phosphorus-deficiency-tolerance-in-rice-(Oryza-sativa-L.).-11365.html

 

Di truyền tính trạng phẩm chất hạt gạo

 Di truyền tính trạng phẩm chất hạt gạo

Nguồn: Sreenivasulu N, Zhang C, Tiozon RN Jr, Liu Q. 2022. Post-genomics revolution in the design of premium quality rice in a high-yielding background to meet consumer demands in the 21st century.Plant Commun. 2022 May 9;3(3):100271.

 

 

Phâm chất cơm và phẩm chất nấu ECP (eating and cooking quality) của lúa gạo vô cùng quan trọng trong xác định giá trị kinh tế của thương trường và làm tăng lên sự chấp nhận của người tiêu dùng. Từ đó, người ta phác thảo một bức tranh quan trọng về chương trình cải tiến giống lúa. Ở đây, người ta tóm lược những tiến bộ trong nghiên cứu di truyền tính trạng ECQ và thảo luận  những triển vọng cải tiến tính trạng ECQ của lúa gạo. Kỹ thuật mới về gen, kỹ thuật chỉnh sử hệ gen cho phép thực hiện cải tiến tính trạng ECQ ngày càng khả thi cao hơn. Những gen có ý nghĩa và những QTLs đã và đang được người ta điều tiết thành phần tinh bột hạt gạo. Kết quả tác động hàm lượng amylose, tính trạng nhiệt độ hóa hồ, độ bền thể gel. Số lượng có giới hạn về gen hoặc QTLs đã được phân lập đối với từng tính trạng ECQ ví dụ như hàm lượng protein trong gạo và mùi thơm. Chọn giống nhở chỉ thị phân tử đã phân lập được những alen hiếm gặp trong nguồn di truyền vô cùng đa dạng kết hợp với tính trạng ECQ tối ưu. Các thông tin có tính chất post-genomics đã được tóm tắt trong bài tổng quan này, giúp nhà chọn giống nhiều chiến lược hiện đại đáp ứng được thị hiếu của người tiêu dùng và yếu cầu của bùng nổ dân số trên thế giới.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35576153/

 

Nhiệt độ nóng và tính kháng bệnh đạo ôn theo tín hiệu JA của cây lúa

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.