GWAS và kết quả phân tích haplotype phân lập được một gen mới điều khiển chiều dài chồi thân lúa (Oryza sativa L.)

GWAS và kết quả phân tích haplotype phân lập được một gen mới điều khiển chiều dài chồi thân lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Tifeng Yang, Jingfang Dong,  Junliang Zhao,  Longting Zhang,  Lian Zhou,  Wu Yang,  Yamei Ma,  Jian Wang,  Hua Fu,  Jiansong Chen,  Wenhui Li,  Haifei Hu,  Xianya Jiang,  Ziqiang Liu,   Bin Liu &  Shaohong Zhang. 2023. Genome-wide association mapping combined with gene-based haplotype analysis identify a novel gene for shoot length in rice (Oryza sativa L.). Theoretical and Applied Genetics; 20 November 2023; Vol. 136, Article 251

 

Bản đồ GWAS (genome-wide association mapping) xác định được một QTL điều khiển chiều dài chồi thân qua nhiều điểm thí nghiệm khác nhau. Đó là gen LOC_Os01g68500, đã được phân lập lần đầu tiên thông qua phương pháp phân tích “gene-based haplotype”, phân tích biểu hiện gen và phương pháp knockout có tính chất transgenic.

 

Cường lực cây mạ rất mạnh là mục tiêu nhắm đến của các nhà chọn giống lúa trong kỹ thuật canh tác sạ thẳng. Chiều dài chồi thân SL (shoot length) là một trong những tính trạng quan trọng gắn với cường lực mạ được định tính bởi kết quả tăng trưởng nhanh của cây mạ, đâm chồi thân khỏe. Do vậy, người ta tến hành dò tìm các gen đích đối với tính trạng SL, thực hiện lai tạo giống lúa trên cơ sở phân tử để phát triển được những giống lúa mới phục vụ sạ thẳng. Tuy nhiên, có quá ít QTLs điều khiển SL được “fine mapped” hoặc được dòng hóa thành công cho đến nay. Kết quả nghiên cứu này, người ta tiến hành chạy GWAS đối với tính trạng SL trên tập đoàn giống lúa đa dạng bao gồm 391 mẫu giống, trong 2 năm, sử dụng những kiểu hình bởi các phương pháp canh tác khác nhau tùy theo kỹ thuật sản xuất lúa. Có tất cả 24 QTLs điều khiển SL được phân lập.

 

Hình: GWAS của tính trạng SL. (a–c) Manhattan plots trên 12 nhiễm sắc thể, với GST (a), GSF (b) và DST (c).

 

Trong số QTL đó, một QTL mới là qSL-1f trên nhiễm sắc thể 1 được xem ổn định nhất trong 3 phương pháp canh tác khác nhau của tập đoàn giống lúa khảo nghiệm và thuộc loại hình lúa indica. Kết quả phân tích “gene-based haplotype” đối với các gen được chú thích (annotated genes) trong vùng giả định qSL-1f, được minh chứng bằng kết quả biểu hiện gen, bằng thí nghiệm knockout transgenic, cho thấy LOC_Os01g68500 (i.e., Os01g0913100 in RAP-DB) được xác định là gen đích của tính trạng SL, có một biến thể “single-base” (C chuyển đổi A) trong vùng mật mã di truyền CDS, làm cho sự khác biệt có ý nghĩa trong loại hình tính trạng SL của cây lúa. Gen LOC_Os01g68500 mã hóa protein DUF538 (Domain of unknown function) mang protein. Kết quả nghiên cứu gen chức năng mã hóa DUF538 protein trong tăng trưởng cây mạ được xem là báo cáo đầu tiên theo nghiên cứu này. Kết quả cung cấp một manh mối mới trong khai thác cơ chế phân tử di truyền điều tiết kiểu hình SL, cung cấp nguồn gen triển vọng phục vụ chiến lược “molecular breeding” trong cây lúa.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04497-6

Glycemic Index của gạo đồ loại lúa indica và japonica trồng tại Italy & ảnh hưởng của GI trên tiến trình đồ gạo

 Glycemic Index của gạo đồ loại lúa indica và japonica trồng tại Italy & ảnh hưởng của GI trên tiến trình đồ gạo

Nguồn: Mariangela Rondanelli, Riccardo Anselmo Ferrario, Gaetan Claude Barrile, Davide Guido, Clara Gasparri, Cinzia Ferraris, Alessandro Cavioni, Francesca Mansueto, Giuseppe Mazzola, Zaira Patelli, Gabriella Peroni, Martina Pirola, Claudia Razza, Alice Tartara, Simone Perna. 2023. The Glycemic Index of Indica and Japonica Subspecies Parboiled Rice Grown in Italy and the Effect on Glycemic Index of Different Parboiling Processes. J Med Food; 2023 Jun; 26(6):422-427. doi: 10.1089/jmf.2022.0120. 

 

 

Gạo thường được xem là nguồn cung cấp tinh bột có giá trị glycemic index (GI), nhưng rất nhiều nghiên cứu cho thấy gạo đồ (parboiling) làm giảm được GI như vậy. Chưa có nghiên cứu giá trị GI của gạo đồ thuộc loại hình indica và japonica parboiled tại Italy. Mục đích nghiên cứu nhằm (1) đánh giá GI của nhiều giống lúa khác nhau ở trạng thái gạo đồ (ribe, white và brown long B, basmati, black, red, roma, và arborio); (2) đánh giá GI của cùng một giống lúa bị xử lý bằng nhiều tiến trình đồ gạo khác nhau (parboiled ribe và parboiled long B với 2 phương pháp: pp flora và pp truyền thống); (3) đánh giá GI hai phụ phẩm (by-products) của gạo đồ: white cake và brown rice cake. Thành viên gồm 10 người khỏe mạnh (20-30 tuổi, chỉ số body mass là 18.5-25 kg/m2). Thành phần quan trọng và GI được xác định bằng phương pháp chuẩn quốc tế. Tất cả gạo đồ được đánh giá là low-GI (brown long B 48.1 ± 6.4 bằng pp flora, ribe 52.0 ± 1.8 GI bằng pp flora, black rice 52.3 ± 7.6 bằng pp flora, long B 52.4 ± 3.9 bằng pp flora, long B 53.4 ± 5.1 bằng pp truyền thống, ribe 54.4 ± 4.3 GI bằng pp truyền thống, Roma 54.4 ± 7.9 GI bằng pp flora, và arborio 54.4 ± 7.9 GI bằng pp flora), ngoại trừ lúa đỏ (red rice) có GI trung bình (56.1 ± 7.0 GI), và cả 2 mẫu classic cake và brown cakes đều có GI cao (theo thứ tự, 83.3 ± 8.9 GI và 102.2 ± 5.5 GI).  Gạo đồ có GI thấp và trở nên thuận lợi cho ăn uống đối với quản lý ăn kiêng của người bệnh rối loạn chuyển hóa và bệnh celiac (metabolic disorders and celiac disease).

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37262189/

Loci SUBMERGENCE 1 và ANAEROBIC GERMINATION 1 tương tác trong cây lúa non chống chịu ngập.

 Loci SUBMERGENCE 1 và ANAEROBIC GERMINATION 1 tương tác trong cây lúa non chống chịu ngập.

Nguồn: Rejbana Alam, Maureen Hummel, Elaine Yeung, Anna M. Locke, John Carlos I. Ignacio, Miriam D. Baltazar, Zhenyu Jia, Abdelbagi M. Ismail, Endang M. Septiningsih, Julia Bailey-Serres. 2020. Flood resilience loci SUBMERGENCE 1 and ANAEROBIC GERMINATION 1 interact in seedlings established underwater. Plant Direct; Volume4, Issue7; July 2020; e00240

 

Cây trồng có khả năng chống chịu với nhiều loại hình stress của khí hậu trở nên rất cần thiết để ổ định năng suất cao. Nghiên cứu này đánh giá được sự tương tác giữa hai loci liên quan đến tính trạng làm cây lúa (Oryza sativa L.) sống sót khi bị ngập nước hoàn toàn.

 

ANAEROBIC GERMINATION 1, được viết tắt là AG1, mã hóa protein TREHALOSE 6-PHOSPHATE PHOSPHATASE 7 (TPP7), tăng cường sự huy động các chất tồn trữ trong nội nhũ hạt lúa để thúc đẩy sự vươn dài của trục lá mầm (hollow coleoptile) của hạt thóc khi chúng được gieo sạ thẳng trong ruộng có nước cạn. SUBMERGENCE 1 (SUB1), mã hóa protein có tên là ethylene-responsive transcription factor. Gen SUB1A-1, liên quan đến tính trạng chịu ngập hoàn toàn của cây lúa bởi nó có khả năng giảm sự dị hóa carbohydrate, làm tăng khả năng cây lúa hồi sinh sau khi bị ngập. Tương tác giữa AG1/TPP7 và SUB1/SUB1A-1 được người ta nghiên cứu theo ba kích bản ngập (flooding scenarios); người ta sử dụng quần thể con lai bao gồm 4 dòng NILs (near-isogenic lines) rồi quan sát khả năng tăng trưởng, khả năng sống sót. Quy tụ hai loci không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự nẩy mầm yếm khí hoặc chống chịu ngập ở giai đoạn tăng trưởng (vegetative-stage). Tuy nhiên, giống lúa có hai gen AG1 SUB1 biểu hiện giảm mức độ sống sót hạt khi giống bị ngập cho đến 16 ngày. Muốn hiểu thêm vai trò của TPP7 và SUB1A-1 cũng như tương tác của chúng, các thay đổi tạm thời của carbohydrates và hệ transcriptomes chồi thân được người ta quan sát kỹ trong 4 giống lúa biến thể gì xảy ra tại 2 loci này ở 4 thời điểm, 2 ngày sau khi sạ đến 14 ngày, ngập hoàn toàn. TPP7 làm tăng sự vươn dài trục mang lá mầm, SUB1A-1 làm tăng sự kiện quang tự dưỡng sớm (precocious photoautotrophy), rồi làm hạn chế sự vươnn dài trong nước ngập. Trái lại, khi quy tụ hai loci AG1 và SUB1 biểu hiện tăng trưởng theo chiều dài chậm, chuyển sang quang tự dưỡng, cây sống sót. Kết quả chạy mRNA-sequencing cho thấy có sự điều tiết mang tính chất lệ thuộc thời gian  và đặc trưng cho giống của những phân tử mRNAs gắn kết với sửa lỗi DNA, chu kỳ tế bào, cải biên chromatin, phát sinh học thể plastid, dị hóa và vận chuyển carbohydrate, vươn dài thân mầm, và những tiến trình khác. Tương tác giữa AG1/TPP7 và SUB1/SUB1A-1 có thể tác động sự hình thành mạ non nếu độ sâu mực nước ruộng không quản lý tốt sau khi sạ.

 

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pld3.240

 

Hình: Thay đổi hệ transcriptome trong giai đoạn mạ khi xử lý ngập lâu ngày. (a) Xếp nhóm các gen DEGs (log2 FC > |1|; FDR < 0.05) of IR64(AG1), IR64(SUB1), và IR64(AG1,SUB1) với IR64 trong tất cả những ngày bị ngập nước. (b) Xếp nhóm PAM của các gen DEGs theo ngày  so với đối chứng IR64(AG1), IR64(SUB1), và IR64(AG1,SUB1) tương quan đến IR64 2 ngày (transcriptome) (Genotype × Day vs. IR64; GxD). Sự giàu lên GO của những clusters di truyền và các gen liệt kê. Danh sách gen DEGs, log2FC values, và GO.

Phosphoryl hóa và ubiquitin hóa OsWRKY31 trong phản ứng tự vệ cây lúa kháng đạo ôn

 Phosphoryl hóa và ubiquitin hóa OsWRKY31 trong phản ứng tự vệ cây lúa kháng đạo ôn

Nguồn: Shuai Wang, Shuying Han, Xiangui Zhou, Changjiang Zhao, Lina Guo, Junqi Zhang, Fei Liu, Qixin Huo, Wensheng Zhao, Zejian Guo, Xujun Chen. 2023. Phosphorylation and ubiquitination of OsWRKY31 are integral to OsMKK10-2-mediated defense responses in rice. Plant Cell; 2023 May 29; 35(6):2391-2412. doi: 10.1093/plcell/koad064.

 

Mitogen-activated protein kinase (MPK) trong hệ thống truyền tín hiệu kiểu “cascades” có vai trò quan trọng trong tính miễn dịch bẩm sinh của thực vật, sự tăng trưởng và phát triển của cây. Ở đây, người ta báo cáo yếu tố phiên mã trong cây lúa (Oryza sativa) đối với gen OsWRKY31 như một thành phần chủ chốt trong lộ trình truyền tín hiệu “MPK” có trong tính kháng bệnh của cây lúa. Người ta thấy hoạt động của OsMKK10-2 làm tăng cường tính kháng của cây lúa với xâm nhiễm của nấm đạo ôn Magnaporthe oryzae và ức chế tăng trưởng nấm thông qua gia tăng mức tích tụ của jasmonic acid và salicylic acid, làm giảm indole-3-acetic acid. Thực hiện thao tác “knockout” gen OsWRKY31 trong phản ứng tự vệ bởi tương tác vật lý của OsMKK10-2. OsMKK10-2 và OsWRKY31. Gen OsWRKY31 bị phosphoryl hóa bởi OsMPK3, OsMPK4, và OsMPK6. Gen OsWRKY31 có tính chất phosphomimetic làm tăng hoạt động gắn kết DNA và làm tăng tính kháng sự xâm nhiễm của nấm M. oryzae. Hơn nữa, sự ổn định của gen OsWRKY31 được điều tiết bởi hoạt động phosphoryl hóa và ubiquitin hóa thông qua enzyme có tên là  RING-finger E3 ubiquitin ligases tương tác với WRKY 1 (OsREIW1). Như vậy, sự cải biên gen OsWRKY31 bởi phosphoryl hóa và ubiquitin hóa diễn ra trong lộ trình truyền tín hiệu OsMKK10-2.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36869655/

 

Hình: OsMKK10-2 tăng hoạt sự phosphoryl hóa của OsMPKs và OsWRKY31.

Gen Bph45 điều khiển tính kháng rầy nâu của lúa nhờ giảm sản xuất ra limonene

 Gen Bph45 điều khiển tính kháng rầy nâu của lúa nhờ giảm sản xuất ra limonene

Nguồn: Charng-Pei Li, Dong-Hong Wu, Shou-Horng Huang, Menghsiao Meng, Hsien-Tzung Shih, Ming-Hsin Lai, Liang-Jwu Chen, Kshirod K Jena, Sherry Lou Hechanova, Ting-Jyun Ke, Tai-Yuan Chiu, Zong-Yuan Tsai, Guo-Kai Chen, Kuan-Chieh Tsai, Wei-Ming Leu. 2023. The Bph45 Gene Confers Resistance against Brown Planthopper in Rice by Reducing the Production of Limonene. Int J Mol Sci.; 2023 Jan 16; 24(2):1798. doi: 10.3390/ijms24021798.

 

Rầy nâu (BPH), là côn trùng chích hút nhựa (monophagous phloem feeder), tiêu thụ một ố lượng lớn photoassimilates của cây lúa làm cây lúa bị chết héo khô (wilting). Một dòng lúa đẳng gen ‘TNG71-Bph45’ đã được phát triển từ Oryza sativa loài phụ japonica, giống lúa ‘Tainung 71 (TNG71) mang locus có tính trội (IRGC 102165) định vị gần tâm động của nhiễm sắc thể 4. Người ta so sánh dòng NIL (TNG71-Bph45) và dòng mẹ tái tục (recurrent parent) để khai thác làm sao gen Bph45 điều khiển được tính kháng rầy nâu. Tác giả thấy rằng TNG71-Bph45 ít hấp dẫn BPH theo tính chất từng phần, bởi vì nó sản sinh ra ít limonene hơn. Kết quả phân tích “chiral” cho thấy hình thức chủ yếu của limonene trong cải hai dòng lúa thử nghiệm thuộc “L-form”. Tuy nhiên, cả hai L- và D-limonene đều hấp dẫn rầy nâu khi người ta áp dụng thử nghiệm ngoại sinh đối với dòng lúa TNG71-Bph45. Số lượng phân tử transcript của limonene synthase cao hơn đáng kể trong cây TNG71 so với cây TNG71-Bph45 và được kích thích bởi rầy nâu xâm nhiễm chỉ theo cách trước đây mà thôi. Du nhập gen Bph45 vào giống lúa japonica khác, Tainan 11, cũng cho kết quả limonene thấp. Hơn nữa, nhiều gen kháng rầy nâu tương tác có tính trội được du nhập vào dòng lúa nhiễm rầy BPH-sensitive IR24 thỏa hiệp với khả năng sinh ra limonene và đồng thời giảm sức hấp dẫn rầy nâu. Quan sát này gợi ra một điều là làm giảm sản sinh ra limonene  có thể là một chiến lược kháng rầy nâu chung nhất trong sản xuất lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36675314/

 

Hình: Sự ưa thích của rầy nâu được đo bằng máy “Y-maze olfactometer”. BPHs được phóng thích trong “Y-maze tube” có không khí được cung cấp thông qua bình chứa 10 cây lúa TNG71 hoặc TNG71-Bph45. (A) trước đây không bị xâm nhiễm. (B) bị xâm nhiễm trước là 300 BPHs trong 3 ngày. Phần trăm BPHs di chuyển theo mỗi side của bẫy được tính sau 2 ngày phóng thích rầy. Phân tích thống kê theo Student’s paired t-test (N = 4). * p < 0.05 and ** p < 0.01.

GWAS xác định gen OsWRKY53 là một “regulator” chủ chốt điều khiển chống chịu mặn của cây lúa (Oryza sativa L.)

 GWAS xác định gen OsWRKY53 là một “regulator” chủ chốt điều khiển chống chịu mặn của cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Jun Yu, Chengsong Zhu, Wei Xuan, Hongzhou An, Yunlu Tian, Baoxiang Wang, Wenchao Chi, Gaoming Chen, Yuwei Ge, Jin Li, Zhaoyang Dai, Yan Liu, Zhiguang Sun, Dayong Xu, Chunming Wang, Jianmin Wan

Nat Commun. 2023. Genome-wide association studies identify OsWRKY53 as a key regulator of salt tolerance in rice

 2023 Jun 15; 14(1):3550. doi: 10.1038/s41467-023-39167-0.

 

Hình: GWAS giải thích di truyền 8 tính trạng liên quan dến  chống chịu mặn.

 

Stress mặn làm giảm liên tục sự tăng trưởng và năng suất lúa, trong khi đó cây đã và đang phát triển  nhiều chu trình truyền tín hiệu vô cùng phức tạp để đối mặt với stress mặn. Tuy nhiên, chỉ có một vài biến thể di truyền đã và đang được người ta phân lập làm đuiều hòa khả năng chịu mặn  trong lúa chính vụ, và cơ chế phân tử vẫn còn biết rất ít. Ở đây, các tác giả xác định được mười  gen ứng cử viên có liên quan đến các tính trạng chống chịu mặn (ST) thông qua phân tích GWAS (genome-wide association analysis) trong tập đoàn giống lúa bản địa. Người ta định tính hai gen có liên quan đến ST, mã hóa protein có chức năng “yếu tố phiên mã” OsWRKY53 và protein kích hoạt Mitogen Kinase có tên Kinase OsMKK10.2, chúng làm trung gian trong dòng chảy ion Na+ trong rễ lúa và ion “Na+ homeostasis” (điều tiết sinh lý ion Na+ dư thừa, nhốt vào không bào). Người ta thấy rằng OsWRKY53 hoạt động như một “modulator” thụ động, điều tiết sự biểu hiện của OsMKK10.2 khi tăng hoạt phản ứng “ion homeostasis”. Hơn nữa, OsWRKY53 chèn ép OsHKT1;5 (K+ transporter 1;5 có ái lực cao), mã hóa protein có chức năng vận chuyển sodium trong rễ lúa. Người ta chứng minh được rằng mô hình OsWRKY53-OsMKK10.2 và OsWRKY53-OsHKT1;5 phối hợp phòng thủ chống lại stress ion này. Kết quả đã làm tỏ các cơ chế  điều hòa tính chống chịu mặn của cây lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37321989/

Sự điều tiết vào buổi tối tính chống chịu nóng của cây lúa

 Sự điều tiết vào buổi tối tính chống chịu nóng của cây lúa

Nguồn: Chuang Yang, Anni Luo, Hai-Ping Lu, Seth Jon Davis, Jian-Xiang Liu. 2024. Diurnal regulation of alternative splicing associated with thermotolerance in rice by two glycine-rich RNA-binding proteins. Sci Bull (Beijing); 2024 Jan 15; 69(1):59-71. doi: 10.1016/j.scib.2023.11.046. 

 

Sản lượng lúa (Oryza sativa L.) bị đa dọa bởi sự ấm lên toàn cầu kết hợp với nhiệt độ cực đoan, sự dễ nhiễm của cây lúa với nhiệt độ nóng khác biệt nhau khi stress nóng xảy ra giữa ngày và đêm. Tuy nhiên, người ta ít hiểu biết về cơ chế phân tử này. Người ta chứng minh rằng có hai proteins gắn kết với RNA giàu glycine, đó là OsGRP3 và OsGRP162, chúng rất cần cho cây lúa chống chịu nóng, đặc biệt là ban đêm. Sự biểu hiện có tính chất nhịp nhàng (rhythmic) của OsGRP3/OsGRP162 đạt đỉnh vào giữa đêm, và vào những thời điểm trùng hợp này, sự biểu hiện tăng lên bởi stress nóng. Điều này tùy thuộc phần lớn vào phức chất có từ chiều tối OsELF3-2. Kế đến người ta tìm thấy dạng đột biến kép của OsGRP3/OsGRP162 đặc biệt nhạy cảm hơn với stress nóng trên cơ sở mức độ cây sống sót và mức độ hạt giống sống sót khi so sánh với cây không đột biến. Chú ý, sự khiếm khuyết tính chống chịu nóng có nhiều chứng cơ hơn khi stress nóng xảy ra về đêm hơn là ban ngày. Khi bị stress nóng, thể đột biến kép này của OsGRP3/OsGRP162 cho kết quả số gen biểu hiện phản ứng với stress nhiệt giảm, và làm tăng vai trò phân tử mRNA alternative splicing khống chế bởi sự kiện exon-skipping. Kết quả nghiên cứu cho thấy vai trò quan trọng của OsGRP3/OsGRP162 trong tính chống chịu nóng của cây lúa, và làm sáng tỏ cơ chế làm thế nào mà OsGRP3/OsGRP162 điều tiết tính chống chịu nóng vào ban đêm.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38044192/