Cơ chế quang hợp của cây lúa (Oryza sativa) chống chịu mặn

 Cơ chế quang hợp của cây lúa (Oryza sativa) chống chịu mặn

Nguồn: Guanqiang Zuo, Jingxin Huo, Xiaohui Yang, Wanqi Mei, Rui Zhang, Aaqil Khan, Naijie Feng, Dianfeng Zheng. 2024. Photosynthetic mechanisms underlying NaCl-induced salinity tolerance in rice (Oryza sativa). BMC Plant Biol.; 2024 Jan 10; 24(1):41. doi: 10.1186/s12870-024-04723-3.

 

Stress mặn là yếu tố cản trở sự phát triển bình thường của cây lúa  trong điều kiện đồng ruộng, cho thấy sự hạn chế đáng kể năng suất hạt và phát triển cây lúa. Mục tiêu nghiên cứu này nhằm khai thác tác động suy giảm của nghiệm thức xử lý trên cây mạ cũng như cơ chế chống chịu mặn thông qua đánh giá  tính trạng hình thái và sinh lý cây lúa.

 

Giống lúa Huanghuazhan, xử lý trong nghiệm thức nước cất, nghiệm thức 25 mg/L prohexadione calcium (Pro-Ca), rồi được xử lý với nhiều nghiệm thức nồng độ dung dịch NaCl khác nhau (0 và 50 mM NaCl), cho phơi nhiễm trong stress mặn (0 và 100 mM NaCl), được đánh dấu nghiệm thức S0, S1, S2 và S3, theo thứ tự. Phân tích tăng trường cho thấy xử lý trước NaCl cải thiện được tỷ số rễ/chồi trong cây lúa ngâm nước ở DAP 0. Số liệu liên quan đến mật độ trung tâm phản ứng, hiệu quả vận chuyển electron sản phẩm quang hợp, hiệu quả trapping được so sánh trước (CK) nhờ sử dụng performance Index (PIabs). So với nghiệm thức S2 (Pro-Ca-S2), PIabs không cho thấy bất cứ khác biệt nào với cây lúa được xử lý trước với NaCl (S3 hoặc Pro-Ca-S3). Ít hơn  PIabs, khác biệt có ý nghĩa trong đặc điểm hiệu ứng vận chuyển electron sản phẩm quang hợp (ΨEo). Giá trị của ΨEo trong Pro-S2 thấp hơn có ý nghĩa đối với nghiệm thức Pro-S3 ở 7 ngày sau khi cây (DAP 7), và tỷ lệ suy giảm khoảng 6.5%. Phân tích hệ số tương quan cho thấy PIabs lá lúa tương quan yếu với sinh khối cây lúa trong khi năng suất giảm của thụ thể nhận electrong của  PSI end, trapped energy flux trên từng trung tâm phản ứng và PSII antenna size biểu hiện tương quan tích cực với sinh khối. Phân tích bổ sung cho kết quả là xử lý 100 mM NaCl làm giảm đáng kể linear electron flux trên lá lúa trong điều kiện nắng yếu, bất kể cây mạ ra sao đi nữa khi đã được xử lý trước với liều lượng 50 mM NaCl hoặc không xử lý. Chống chịu mặn NaCl có liên quan đến bộ máy quang tổng hợp cây lúa rất đáng kể.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38195408/

GWAS xác định căn cứ di truyền tính kháng bệnh đạo ôn gắn với ngày trổ bông lúa

 GWAS xác định căn cứ di truyền tính kháng bệnh đạo ôn gắn với ngày trổ bông lúa

Nguồn: Seung Young Lee, Gileung Lee, Jiheon Han, Su-Kyung Ha, Chang-Min Lee, Kyeongmin Kang, Mina Jin, Jung-Pil Suh, Ji-Ung Jeung, Youngjun Mo, Hyun-Sook Lee. 2024. GWAS analysis reveals the genetic basis of blast resistance associated with heading date in rice. Front Plant Sci; 2024 May 21: 15:1412614. doi: 10.3389/fpls.2024.1412614. 

 

Bệnh đạo ôn lúa do nấm ảnh hưởng đến cây trong mọi giai đoạn tăng trưởng, là mối đe dọa có ý nghĩa lớn đối với an ninh lương thức toàn cầu. Phát triển giống lúa kháng bệnh là phương pháp thực tiễn trong kiểm soát bệnh này. Nhìn chung, ban đồ “association” với một tập đoàn giống lúa đa dạng phân lập được nguồn alen mới rất tiềm năng về tính kháng bệnh. Mặt khác, sử dụng tập đoàn bố mẹ lai có thuận lợi là áp dụng được trực tiếp cho chương trình cải tiến giống lúa. Người ta tiến hành phân tích GWAS (genome-wide association study)  về tính kháng đạo ôn thông qua 296 giống lúa thương mại với kiến trúc quần thể thấp nhưng đa dạng kiểu hình rất lớn. Người ta cố gắng trả lời được cơ sở di truyền gì bên cạnh tính kháng bệnh đạo ôn lúa trong các giống lúa ngắn ngày thông quan chia nhỏ quần thể dựa trên chức năng gen Heading date 1 (Hd1). GWAS có tính chất đặc thù “subpopulation” như vậy với thuật toán MLM (mixed linear model: mô phỏng tuyến tính kết hợp) được quan sát trên nương mạ đạo ôn suốt 3 năm liền với tổng số 26 tín hiệu có ý nghĩa, bao gồm ba hệ gen nucleotide-binding site leucine-rich repeat (NBS-LRR) (Os06g0286500, Os06g0286700, và Os06g0287500) định vị trên locus của Piz nằm trong nhiễm sắc thể 6, và một gen trên locus của Pi-ta (Os12g0281300) tại nhiễm sắc thể 12. Phân tích haplotype cho thấy tính kháng đạo ôn gằn liền với locus Piz đặc trưng cho Type 14 hd1 trong giống lúa  japonica. Kết quả cung cấp hiểu biết sâu sắc về tính kháng bệnh đạo ôn cây lúa, nêu bật khả năng ứng dụng của các giống lúa ưu việt để phát hiện alen kháng kết hợp với những tính trạng nông học quan trọng.

 

Xem  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38835858/

 

Hình: Giản đồ Manhattan & quantile-quantile (Q-Q) plots từ kết quả GWAS đối với tính kháng đạo ôn của giống lúa trồng Korean thông qua MLM. (A) Tập đoàn giống lúa có 296 mẫu giống. (B) NHóm gen Hd1 có chức năng (n=183). (C) NHóm gen hd1 không chức năng (n=113). Trục X biểu thị SNPs trên mỗi nhiễm sắc thể; trục Y là −log10 (P). Vị trí chỉ thị SNP màu đỏ là tín hiệu có ý nghĩa được chú thích bản chất mô típ di truyền NBS-LRR.

Di truyền tính trạng dạng hạt, chịu nóng, chịu kiềm của cây lúa thông qua Gγ protein

 Di truyền tính trạng dạng hạt, chịu nóng, chịu kiềm của cây lúa thông qua Gγ protein

Nguồn: Na Xu, Yuchao Qiu, Xin Cui, Cheng Fei & Quan Xu. 2024. Enhancing grain shape, thermotolerance, and alkaline tolerance via Gγ protein manipulation in riceTheoretical and Applied Genetics; June 10 2024; vol. 137; article 154

Kết quả tóm lược nguồn vật liệu bố mẹ có giá trị trong lai tạo giống lúa, chứng minh khả năng làm tăng cường dạng hạt lúa, tẳng tính chống chịu nóng, chống chịu kiềm thông qua thao tác Gγ protein.

 

Năng suất giống lúa japonica ôn đới kiểu hình Geng (GJ) đã và đang được cải tiến rất đáng kể, đáp ứng yêu cầu an ninh lương thực toàn cầu. Tuy nhiên, chọn giống lúa GJ mong muốn đang đối diện với thách thức, đó là làm sao tăng cường được phẩm chất hạt, đảm bảo năng suất lúa ổn định trong khi nhiệt độ ấm lên, trồng được trên đất kiềm. Nghiên cứu chỉ ra rằng người ta tiến hành chỉnh sửa gen qua hệ thống CRISPR/Cas9 để knock out locus GS3 trong 7 giống lúa GJ ưu việt với năng suất cao. Xem xét thành phần cấu thành năng suất cho thấy dòng lúa đột biến có gen GS3 bị knockout biểu thị chiều hạt hạt tăng, chiều cao cây thấp trong nền tảng di truyền đa dạng. Tác động của GS3 đối với số hạt trên bông và mật độ đóng hạt tùy thuộc vào nền tảng di truyền (genetic background). GS3 knockout không ảnh hưởng đến phẩm chất xay chà và protein bị thay đổi thấp nhất, hàm lượng amylose thay đổi thấp nhất, nhưng ảnh hưởng đáng kể đến các tính trạng liên quan bạc bụng. Dòng lúa GS3 knockout cải thiện một cách không chính thống (indiscriminately) tính chống chịu nóng và tính chống chịu kiềm trong giống lúa GJ. Phân tích transcriptome cho thấy biểu hiện gen khác nhau giữa dòng GS3 mutants và giống nguyên thủy của nó, làm phong phú thêm tiến trình sinh học liên quan đến quang tổng hợp, ổn định hệ thống photosystem II, và các lộ trình này gắn liền với quang hợp và sinh tổng hợp cutin, suberine, sáp. Kết quả cho thấy GS3 là nguồn vật liệu lai tạo giống phục vụ cùng một lúc tính trạng dạng hạt gạo, chịu nóng, chịu kiềm thông qua thao tác của protein Gγ trong cây lúa.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04669-y

GWAS giải thích alen kháng bệnh đạo ôn lúa của Ptr và Pia

 GWAS giải thích alen kháng bệnh đạo ôn lúa của Ptr và Pia

Nguồn: Julian R Greenwood, Vanica Lacorte-Apostol, Thomas Kroj, Jonas Padilla, Mary Jeanie Telebanco-Yanoria, Anna N Glaus, Anne Roulin, André Padilla, Bo Zhou, Beat Keller, Simon G Krattinger. 2024. Genome-wide association analysis uncovers rice blast resistance alleles of Ptr and Pia. Commun Biol.; 2024 May 20; 7(1):607. doi: 10.1038/s42003-024-06244-z.

 

Một phương pháp quan trọng nhằm tối đa hóa sự hữu hiệu của GWAS trong cải tiến giống cây trồng là xác định cũng như minh chứng được những gen ứng cử viên theo kiểu phân tích di truyền “associations”. Điều này đặc biệt quan trọng trong cải tiến tính kháng bệnh, ở đó, các biến thể của alen trong những gen kháng thường liên quan đên đến tính kháng kiểu “distinct populations” (quần thể khác nhau), hoặc nòi địa lý của một pathogen nào đó. Ở đây, người ta chứng minh GWAS đối với gen kháng bệnh đạo ôn lúa của một tập đoàn giống lúa hơn 500 mẫu giống khác nhau. Để làm dễ dàng trong phân lập gen ứng cử viên, người ta tạo ra “de-novo genome assemblies” của mười mẫu giống lúa có mức độ kháng đạo ôn khác nhau. Những “genome assemblies” như vậy làm dễ dàng hơn cho việc xác định và minh chứng chức năng của những alen mới trong gen kháng đạo ôn Ptr và Pia. Người ta phát hiện ra một chuỗi alen đối với gen Ptr không hữu dụng, và các alen mang tính chất bổ sung (additional alleles) của gen Pia: RGA4 và RGA5. Liên kết các thành phân mang tính chất di truyền “associations” này lại với nhau, có ba nghìn hệ gen cây lúa được xem là công cụ hữu ích phục vụ mội nỗ lực cải tiến giống lúa trong tương lai. Kết quả cho thấy GWAS khi được kết hợp với whole-genome sequencing sẽ là công cụ rất mạnh mẽ phục vụ dòng hóa gen đích và làm dễ dàng  việc sàng lọc các alen kháng chuyên biệt.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38769168/

 

Hình 1: GWAS tìm thấy có hai associations điều khiển tính kháng bệnh mạnh mẽ trên nhiễm sắc thể 11 và 12 gần loci của gen Pia và Ptr, theo thứ tự.

Chọn giống gạo màu cho vùng Đông Nam Bộ

  Chọn giống gạo màu cho vùng Đông Nam Bộ

Giống gạo màu do nhóm tác giả Viện Khoa học Kỹ thuật nông nghiệp miền Nam chọn tạo, phù hợp với thị hiếu người tiêu dùng, có thể triển khai sản xuất đại trà tại khu vực Đông Nam Bộ.

 

Gạo màu (đen, đỏ, tím) được ghi nhận chứa chất chống oxy hóa anthocyanin nhiều hơn gạo trắng. Chất này có vai trò hỗ trợ tốt cho sức khỏe người tiêu dùng như làm hạn chế nguy cơ béo phì, giảm phản ứng viêm, chống lão hoá và tác dụng kháng virus,…

Trong khi nhiều quốc gia như Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Thái Lan,… rất chú trọng việc chọn tạo các giống lúa màu cải tiến phù hợp với hệ canh tác hiện đại, Việt Nam mới chỉ có một số ít công trình nghiên cứu về giống lúa màu cho các tỉnh phía Bắc. Giống lúa màu cải tiến trồng ở các tỉnh phía Nam chủ yếu do các doanh nghiệp tuyển chọn từ nguồn nhập khẩu, hầu hết thiếu tính pháp lý về nguồn gốc giống nên chưa được khuyến cáo áp dụng. Ngay cả hai giống lúa màu được công nhận lưu hành cho vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) từ nhiều năm trước là ST đỏ và Cẩm Cai Lậy cũng rất ít được sử dụng.

 

Thử nghiệm trồng giống lúa màu tại đồng ruộng. Ảnh: SKH.

 

Để bổ sung giống lúa màu mới cho sản xuất, nhóm tác giả ở Viện Khoa học kỹ thuật nông nghiệp miền Nam đã thực hiện đề tài “Chọn tạo giống lúa màu đặc sản và xây dựng mô hình sản xuất tại Thành phố Hồ Chí Minh và một số tỉnh vùng Đông Nam Bộ”.

 

Vật liệu tổ hợp trong nghiên cứu gồm các dòng giống lúa thu thập như Tím TL, Tím TL1 (hai dòng lúa tím đen du nhập từ Thái Lan), LĐ2 (dòng lúa tím đen của Công ty Nông Tín), VND26 (dòng lúa đỏ đột biến), giống Ngọc đỏ hương dứa (NĐHD) ở Đồng Tháp,…

 

Nhóm áp dụng phương pháp chọn lọc phả hệ cho đến khi có được dòng thuần, chọn lọc so sánh dòng thuần để xác định giống khảo nghiệm giá trị canh tác. Nguồn gen nhập nội còn phân ly được theo dõi, chọn cá thể qua nhiều thế hệ để có dòng thuần tham gia thí nghiệm theo mục tiêu nghiên cứu.

 

Cụ thể, nhóm đã triển khai lai 20 tổ hợp và chọn lọc các thể lai để trồng khảo nghiệm và đánh giá chất lượng một số dòng chọn lọc có triển vọng. Từ thí nghiệm chọn lọc so sánh dựa trên các tiêu chí đánh giá về nguồn gốc, đặc tính nông sinh học, tính chống chịu sâu, bệnh, năng suất và chất lượng, nhóm nghiên cứu xác định được sáu dòng thuần lúa màu triển vọng từ thí nghiệm, gồm: SR20, SR22, SR21, SR202, SR161, SR16.

 

Kết quả trồng khảo nghiệm trong ba vụ (Đông Xuân, Hè Thu 2021, Đông Xuân 2021 – 2022), tại TPHCM, Đồng Nai, Tây Ninh cho thấy, các giống khảo nghiệm có thời gian sinh trưởng từ 94 - 113 ngày, cao 95 - 114 cm, ít đổ ngã, chống chịu được rầy nâu và bệnh hại chính (đạo ôn, bạc lá, vàng lá). So với giống đối chứng (ST đỏ), các giống khảo nghiệm có độ thuần cao, thời gian sinh trưởng ngắn và chống chịu sâu, bệnh tốt hơn gồm: SR20, SR22 và SR21. Ba giống này cũng đều có năng suất bình quân cao hơn so với ST đỏ (5,08 tấn/ha). Nghiên cứu còn cho thấy, SR20, SR22 và SR21ST chứa hàm lượng anthocyanin tương đương ST đỏ (50mg/kg) hoặc cao hơn hẳn, như giống gạo màu tím đen SR22 chứa lượng anthocyanine 167mg/kg. Điều này cho thấy, hàm lượng anthocyanin liên quan rõ rệt đến màu hạt gạo lứt, màu càng đậm thì lượng anthocyanin càng cao và ngược lại.

 

Các giống lúa màu triển vọng. Ảnh: SKH.

 

Đánh giá chỉ tiêu chuyển hóa đường cho thấy, cả sáu giống lúa thuần đều có chỉ số GI (chỉ số đường huyết) ở mức thấp (46,6 - 54,8), so với mức trung bình của ST đỏ (55,9) và mức cao của gạo xát trắng giống phổ biến (71,9).

 

Sáu giống này còn thể hiện ưu thế vượt trội về chỉ tiêu hàm lượng vitamin B1 so với ST đỏ (1.082mg/kg), nhất là giống gạo tím đen SR22 (4.031mg/kg), SR 20 (2.014mg/kg), SR 21 (1,076mg/kg).

 

Căn cứ kết quả khảo nghiệm, giống SR20 và SR22 đạt yêu cầu về giá trị sử dụng để công nhận lưu hành theo TCVN13381-1:2023. Nhóm tác giả cũng đã hoàn thiện quy trình kỹ thuật canh tác giống lúa màu đặc sản hướng hữu cơ ở vùng Đông Nam bộ, có thể áp dụng vào thực tiễn sản xuất.

 

Kiều Anh - KHPT

An ninh lương thực: Các nhà nghiên cứu phát hiện gen kháng lại một loại bệnh tàn phá cây lúa và lúa mì

 An ninh lương thực: Các nhà nghiên cứu phát hiện gen kháng lại một loại bệnh tàn phá cây lúa và lúa mì

Loại nấm cực nhỏ Magnaporthe oryzae gây bệnh đạo ôn ở lúa và các loại ngũ cốc khác. Vết bệnh hoại tử hình thành trên các bộ phận trên bề mặt của thân thân hoặc lá (ảnh bên trái). Các gen kháng bệnh như Ptr, bảo vệ cây lúa chống lại bệnh đạo ôn bằng cách ngăn chặn nấm lây nhiễm vào cây lúa (ảnh bên phải). Nguồn: INRAE—Stella Cesari.

 

Bệnh đạo ôn do nấm Magnaporthe oryzae gây ra, là một loại bệnh nghiêm trọng phá hoại cây trồng nông nghiệp. Ngoài việc tàn phá cây lúa - lương thực chính của 60% dân số thế giới - nó còn bắt đầu tấn công lúa mì vào những năm 1980, trên một khu vực ngày càng tăng và có nguy cơ xuất hiện nghiêm trọng ở châu Âu.

 

Trong bối cảnh này, các nhà nghiên cứu từ INRAE, CIRAD và Đại học Montpellier, cùng với các nhà khoa học từ Trung Quốc và Philippines, đã phân tích các cơ chế phân tử đằng sau khả năng kháng bệnh đạo ôn tự nhiên được tìm thấy ở cây lúa. Họ đã xác định được Ptr, một loại gen kháng bệnh mới ở thực vật. Sự hiện diện của gen Ptr này làm cho cây lúa miễn dịch với các chủng M. oryzae tiết ra yếu tố độc lực AVR-Pita, một loại protein mà khi không có gen này sẽ giúp nấm gây bệnh xâm nhập vào cây trồng.

 

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Plants.

 

Phần lớn các gen kháng ở thực vật mã hóa cho các thụ thể dạng ăng-ten (protein) nhận biết các tín hiệu hóa học do mầm bệnh phát ra.

 

Tuy nhiên, Ptr lại mã hóa một loại protein mới mà trước đây chưa được biết là có hoạt tính trong hệ thống miễn dịch thực vật. Các nhà khoa học vẫn chưa hiểu được protein này hoạt động như thế nào. Thật bất ngờ, nghiên cứu này đã vô hiệu hóa các nghiên cứu tham khảo trước đó, được xuất bản năm 2000, báo cáo cho rằng một gen khác có tên Pi-ta và mã hóa cho một loại thụ thể miễn dịch thông thường chịu trách nhiệm phát hiện AVR-Pita.

 

Hình ảnh bông lúa bị nhiễm bệnh chụp tại miền Bắc Việt Nam.

Nguồn: INRAE ​​- Bertrand Nicolas.

 

Công trình này mở đường cho việc nghiên cứu các cơ chế kháng bệnh mới ở thực vật dựa trên protein Ptr và các thành phần mới khác, với mục đích hiểu rõ hơn về khả năng kháng bệnh tự nhiên và sử dụng nó hiệu quả hơn để bảo vệ cây trồng.

 

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org

Gen OsLRR-RLP2 điều tiết khả năng miễn dịch đối với nấm Magnaporthe oryzae trong giống lúa thuộc loại hình japonia

 Gen OsLRR-RLP2 điều tiết khả năng miễn dịch đối với nấm  Magnaporthe oryzae trong giống lúa thuộc loại hình japonia

Nguồn: Hyo-Jeong Kim, Jeong Woo Jang, Thuy Pham, Van Tuyet, Ji-Hyun Kim, Chan Woo Park, Yun-Shil Gho, Eui-Jung Kim, Soon-Wook Kwon, Jong-Seong Jeon, Sun Tae Kim, Ki-Hong Jung, Yu-Jin Kim. 2024. OsLRR-RLP2 Gene Regulates Immunity to Magnaporthe oryzae in Japonica Rice. Int J Mol Sci.; 2024 Feb 12; 25(4):2216. doi: 10.3390/ijms25042216.

 

 

Lúa là loài mễ cốc quan trọng trên thế giới, lúa bị ảnh hưởng bởi nấm gây bệnh đạo ôn Magnaporthe oryzae. Khi biến đổi khí hậy diễn ra, sự đa dạng của pathogens cũng tăng, gen kháng bệnh (R genes) trong cây phải được xác định. Gen kháng chủ lực bệnh đạo ôn của cây lúa phần lớn được xác định trong loại hình cây lúa indica; do đó,  loại hình cây lúa japonica có R genes hiện nay cần được phân lập rõ ràng. Bởi vì, protein có domain leucine-rich repeat (LRR) biểu thị các đặc điểm của gen R, người ta đã vận dụng cả phương pháp tin sinh học để xác định được những protein đón vai trò thụ thể (receptor-like) với LRR domain ứng cử viên của cây lúa (OsLRR-RLPs). Gen OsLRR-RLP2, có 6 LRR domains, cho thấy sự khác biệt trong chuỗi trình tự DNA, bao gồm 43 single-nucleotide polymorphisms (SNPs) trong quần thể phụ indica và japonica. Kết quả phân tích chủng nấm M. oryzae cho thấy giống lúa thuộc loại hình  indica với mất đoạn từng phần của gen OsLRR-RLP2 biểu hiện nhiễm bệnh, trong khi, giống lúa loại hình japonica  với gen nguyên vẹn OsLRR-RLP2 biểu hiện kháng bệnh. Đột biến oslrr-rlp2, được phát sinh thông qua chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR-Cas9, biểu hiện sự nhiễm bệnh tăng lên, trong khi đó, cây lúa nào có biểu hiện mạnh mẽ gen này biểu hiện tính kháng pathogen. Kết quả cho thấy gen OsLRR-RLP2 có ảnh hưởng đến tính kháng bệnh của cây lúa, và OsLRR-RLP2 có thể rất hữu ích cho cải tiến giống lúa cao sản kháng đạo ôn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38396893/