OsMAPK6 điều khiển tính chống chịu lạnh của cây lúa ở giai đoạn mạ

 OsMAPK6 điều khiển tính chống chịu lạnh của cây lúa ở giai đoạn mạ

Nguồn: Jiali Liu, Jiaxin Liu, Mingliang He, Chuanzhong Zhang, Yingxiang Liu, Xiufeng Li, Zhenyu Wang, Xin Jin, Jingjing Sui, Wenyan Zhou, Qingyun Bu & Xiaojie Tian. 2023. OsMAPK6 positively regulates rice cold tolerance at seedling stage via phosphorylating and stabilizing OsICE1 and OsIPA1. Theoretical and Applied Genetics; Published: 16 December 2023; volume 137, 10 (2024)

 

 

Lúa là cây rất nhạy cảm với lạnh giá, và khi nhiệt độ lạnh cực đoan sẽ làm giảm năng suất nghiêm trọng. Nhiều gen kháng với stress giá lạnh đã được báo cáo trong nghiên cứu cây lúa; tuy nhiên, tính hiệu lạnh giá trong cây lúa vẫn chưa được biết thấu đáo. Ơ đây, tác giả nghiên cứu kiểu hình cây lúa chống chịu lạnh giá thông qua biểu hiện mạnh mẽ của gen nền (constitutive) OsMAPK6 (CAMAPK6-OE) và đột biến của OsMAPK6 là dsg1, người ta chúng minh OsMAPK6 điều tiết một cách tích cực tính chống chịu lạnh giá. Kết quả ghi nhận: dưới điều kiện lạnh giá, mật độ cây sống sót của dòng đột biến dsg1 thấp hơn đáng kể so với cây lúa nguyên thủy WT, khi ấy, CAMAPK6-OE biểu hiện có mật độ cây sốt cao hơn cây lúa WT. Kết quả xét nghiệm sinh lý cho thấy sự rò rỉ ion (ion leakage) và tế bào chết của cây lúa đột biến dsg1 nghiêm trọng hơn cây lúa WT và cây lúa CAMAPK6-OE. Chắc chắn là, sự biểu hiện của gen đáp ứng với lạnh giá của cây dsg1, bao gồm OsCBFs và OsTPP1, thấp hơn đáng kể so với cây lúa WT và cây CAMAPK6-OE. Kết quả phân tích sinh hóa cho thấy stress lạnh giá làm tăng sự kiện phosphoryl hóa của protein OsMAPK6. Bên cạnh đó, OsMAPK6 tương tác và phosphoryl hóa hai phân tử regulator chủ lực của truyền tín hiệu lạnh trong cây lúa, đó là OsIPA1 và OsICE1, rồi làm tăng tính chất ổn định của protein nói trên. Kết quả cho thấy có một cascade trong lộ trình truyền tín hiệu  khi bị lạnh kích thích là OsMAPK6-OsICE1/OsIPA1 bởi OsMAPK6 mà nó có trong cây lúa chịu lạnh, đây là kiến thức mới về sự đáp ứng của cây lúa với lạnh giá ở gia đoạn mạ.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04506-8

Sự khác biệt của tinh bột kháng và đặc điểm lý hóa tinh bột gạo

 Sự khác biệt của tinh bột kháng và đặc điểm lý hóa tinh bột gạo

Nguồn: Mingrui Luo, Wanxin Gong, Siyan Zhang, Lanyu Xie, Yitao Shi, Dianxing Wu, Xiaoli Shu. 2023. Discrepancies in resistant starch and starch physicochemical properties between rice mutants similar in high amylose content. Front Plant Sci.; 2023 Nov 3: 14:1267281. doi: 10.3389/fpls.2023.1267281. 

 

Hình: Ảnh hưởng của 5M urea đối với sự trương nở của hạt tinh bột trong nội nhũ hạt gạo. Đường biểu diễn về thủy phân tinh bột in-vitro  của hai mẫu cơm của hai giống lúa khác nhau. Thanh sai số biểu thị độ lệch chuẩn của giá trị trung bình sau 3 lần thủy phân.

 

Hàm lượng tinh bột kháng RS (resistant starch) được xem như có tương quan thuận với hàm lượng amylose ACC (apparent amylose content). Người ta tiến hành phân tích hai dòng lúa đột biến thuộc loại hình indica, RS111 và Zhedagaozhi 1B, có hàm lượng AAC cao như nhau, họ tìm thấy hàm lượng tinh bột kháng RS khác biệt nhau đáng kể. Dòng lúa RS111 có hàm lượng RS3 cao hơn nhưng có hàm lượng RS2 thấp hơn dòng lúa Zhedagaozhi 1B; tương ứng, mẫu cơm RS111 biểu hiện khả năng tiêu hóa chậm hơn. RS111 có hạt tinh bột hình bầu dục, không đều, nhỏ hơn so với dòng lúa Zhedagaozhi 1B và dòng lúa nguyên thủy (chưa đột biến). Zhedagaozhi 1B biểu thị thành phần tinh bột thuộc B-type, khác với dòng lúa RS111 và giống nguyên thủy, chúng biểu hiện thành phần tinh bột thuộc A-type. Có nghĩa là, RS111 có nhiều hơn fa và fb1, có ít hơn fb3 so với dòng lúa Zhedagaozhi 1B. Cả hai dòng đột biến biểu hiện “độ nhớt” (viscosity) giảm và lực phồng hạt cơm (swelling power) giảm so với bố mẹ. Dòng lúa RS111 có độ nhớt thấp nhất, dòng lúa Zhedagaozhi 1B có lực phồng hạt cơm nhỏ nhất. Cấu trúc tinh tế vô cùng khác biệt như vậy của phân tử amylopectin giữa RS111 và Zhedagaozhi 1B làm cho kiểu tinh bột khác nhau, độ trở hồ khác nhau, độ nhợt khác nhau, và mức tiêu hóa cũng khác. Bên cạnh làm tăng cường hàm lượng amylose, sự cải biên cấu trúc amylopectin biểu thị một tiềm năng lớn cho cải tiến giống lúa với hàm lượng RS2 và RS3 khác nhau, chúng có thể đáp ứng yêu cầu làm tăng đa dạng di truyền tập đoàn giống lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38023836/

Tạo vân lá tương tự loài C4 trên lúa bằng cách điều khiển nồng độ chất điều tiết rễ ngắn (SHR) và nồng độ auxin

 Tạo vân lá tương tự loài C4 trên lúa bằng cách điều khiển nồng độ chất điều tiết rễ ngắn (SHR) và nồng độ auxin

Sự biểu hiện quá mức của SHR làm tăng cường sự phân chia tế bào trung diệp, dẫn đến giảm đáng kể mật độ gân lá. Tuy nhiên, phương pháp xử lý bằng auxin ngoại sinh đã dẫn đến sự gia tăng mật độ gân lá. Đáng chú ý, mô hình phân bố gân lá giống như ở thực vật C4 đã được tạo ra thành công bằng cách nâng cao đồng thời hàm lượng SHR và auxin trong lá lúa. Nguồn: Nhà xuất bản Khoa học của Trung Quốc.

 

Thực vật C4 được phân biệt bằng cấu trúc lá độc đáo được gọi là giải phẫu Kranz, được đặc trưng bởi các tế bào vỏ bọc bó mạch bên trong và các tế bào trung mô bên ngoài. Sự sắp xếp chuyên biệt này mang lại cho thực vật C4 một số lợi thế so với thực vật C3, bao gồm tốc độ quang hợp cao hơn cũng như hiệu quả sử dụng nitơ và nước vượt trội.

 

Cấu trúc Kranz này không chỉ xác định lá cây C4 mà còn thể hiện một đặc điểm then chốt trong quá trình chuyển đổi từ quang hợp C3 sang C4. Việc tăng mật độ bó mạch từ lâu đã được coi là bước khởi đầu quan trọng trong quá trình tiến hóa thực vật C4. Tuy nhiên, các cơ chế điều tiết quản lý mật độ gân lá vẫn còn khó nắm bắt.

 

Gen SHR mã hóa một yếu tố phiên mã mà trước đây đã được chứng minh là có vai trò điều chỉnh sự phát triển vỏ rễ và hình thành nốt sần ở cây họ đậu. Điều thú vị là nghiên cứu này tiết lộ vai trò mới của SHR trong việc điều chỉnh mật độ bó mạch ở lá. Cụ thể, đột biến gen SHR ức chế sự phân chia tế bào trung mô và làm tăng mật độ gân lá ở cả lúa và ngô.

 

Ngược lại, sự biểu hiện quá mức SHR từ các loài thực vật khác nhau (bao gồm cỏ linh lăng, lúa và ngô) sẽ kích thích mạnh mẽ sự phân chia tế bào trung diệp và làm giảm đáng kể mật độ gân lá ở lúa và ngô. Hơn nữa, các protein SHR định vị vào cả tế bào vỏ bó và tế bào trung mô ở lúa và ngô, với biểu hiện SHR tự nhiên tăng lên sẽ hình thành kiểu hình của các dòng biểu hiện quá mức SHR.

 

Những phát hiện này cho thấy mối quan hệ nghịch đảo giữa sự phong phú protein SHR và mật độ gân lá. Ngoài ra, việc xử lý bằng auxin ngoại sinh giúp tăng cường sự hình thành gân lá ở cây lúa. Điều thú vị là, bằng cách đồng thời tăng hàm lượng SHR và auxin trong lá lúa, các nhà nghiên cứu đã tạo thành công kiểu vân mạch giống C4 ở cây lúa.

 

Nhiều nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cả mức SHR và auxin đều tăng đáng kể ở các mô C4 so với các mô C3. Kết hợp với kết quả của nghiên cứu này, các tác giả đề xuất rằng sự điều hòa tăng cường đồng thời của SHR và auxin có thể là động lực chính cho sự chuyển đổi từ mô hình bó mạch C3 sang C4 ở thực vật một lá mầm.

 

Từ góc độ tiến hóa, sự gia tăng đồng thời SHR và auxin có thể mang lại cả sự tăng trưởng tế bào trung diệp và tốc độ biệt hóa tĩnh mạch tăng tốc ở thực vật một lá mầm C4 so với tổ tiên C3.

 

Tóm lại, những phát hiện này đã làm sáng tỏ mối tương tác đối kháng giữa SHR và auxin, cung cấp những hiểu biết quan trọng về sự hình thành gân C4 và có khả năng mở ra một con đường thú vị để nâng cao hiệu quả quang hợp của cây trồng C3.

 

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Bulletin.

 

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org

Fine mapping và phân tích gen ứng cử viên qSB12YSB, liên quan đến tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa

 Fine mapping và phân tích gen ứng cử viên qSB12YSB, liên quan đến tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa

Nguồn: Yu Wang, Quanyi Sun, Jianhua Zhao,  Taixuan Liu, Haibo Du, Wenfeng Shan, Keting Wu, Xiang Xue,   Chao Yang, Jun Liu, Zongxiang Chen, Keming Hu, Zhiming Feng &  Shimin Zuo. 2023. Fine mapping and candidate gene analysis of qSB12YSB, a gene conferring major quantitative resistance to rice sheath blight. Theoretical and Applied Genetics; Published: 16 November 2023; volume 136, Article number: 246 (2023)

 

qSB12YSB, một gen chủ lực về số lượng điều khiển tính kháng bệnh đốm vằn (Rhizoctonia solani Kühn), từ giống lúa YSBR1 cho thấy tiềm năng trong chọn tạo giống lúa, đã được người ta phân lập nhờ hình thành bản đồ di truyền ở vùng có độ lớn phân tử 289-Kb trên nhiễm sắc thể 12.

 

Bệnh đốm vằn (ShB), gây ra bởi nấm Rhizoctonia solani Kühn, là một trong những bệnh rất quan trọng của cây lúa trên toàn thế giới. Tính kháng của cây lúa đối với ShB là điển hình của di truyền số lượng bởi những “multiple quantitative trait loci” (QTLs). Nhiều QTLs điều khiển tính kháng ShB đã và đang được báo cáo trong khi có rất ít trong số ấy được tiến hành “fine-mapped”. Kết quả nghiên cứu này, người ta xác định được một QTL định vị trên nhiễm sắc thể 12, trong đó, alen kháng qSB12YSB biểu hiện tính kháng bệnh đốm vằn rất có ý nghĩa, thông qua sử dụng 150 BC4 dòng hồi giao  khai thác tính kháng từ giống lúa YSBR1 làm donor và giống nhiễm Lemont (LE) làm giống tái tục (recurrent parent). Sau đó, người ta tiến hành “fine-mapped” gen qSB12YSB ở vùng có độ lớn phân tử 289-kb thông qua 34 dòng lúa CSSLs (chromosomal segment substitution lines), xác định 18 gen được chú thích di truyền (annotated genes) như những gen ứng cử viên đối với qSB12YSB sau khi phân tích trình tự “resequencing” và cơ sở dữ liệu transcriptomic. Lết quả phân tích KEGG cho thấy qSB12YSB có thể tăng hoạt sinh tổng hợp các cơ chất thứ cấp (secondary metabolites) và hệ thống ROS để cải tiến tính kháng bệnh đốm vằn. qSB12YSB mang tính kháng ổn định có ý nghĩa ở ba giống lúa thương mại hóa (NJ9108, NJ5055 và NJ44) trong các khảo nghiệm đồng ruộng với sự trợ giúp của chỉ thị phân tử để chọn dòng con lai. Trong điều kiện ổ bệnh đốm vằn rất trầm trọng, qSB12YSB làm giảm sự mất năng suất rất ý nghĩa đến 13,5% trên nền tảng di truyền của giống lúa Lemont, chứng minh đây là tiếm năng năng trong cải tiến giống lúa. Kết quả sẽ  đẩy nhanh quá trình xác định qSB12YSB và sử dụng gen đích này trong chương trình cải tiến giống lúa cao sản kháng bệnh đốm vằn.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04482-z

Nghiên cứu lúa: Cây lúa đối phó với stress do nhiệt độ nóng như thế nào

 Nghiên cứu lúa: Cây lúa đối phó với stress do nhiệt độ nóng như thế nào

Nguồn: Jin-Yu Li, Chuang Yang, Jiming Xu, Hai-Ping Lu, Jian-Xiang Liu. 2023. The hot science in rice research: How rice plants cope with heat stress. Plant Cell Environ.; 2023 Apr; 46(4):1087-1103. doi: 10.1111/pce.14509. 

 

Biến đổi khí hâu toàn cầu tác động cực kỳ to lớn đến tăng trường và phát triển của cây xanh, làm giảm năng suất nông sản trên toàn thế giới. Lúa (Oryza sativa L.), một trong những loài cây trồng cung cấp lương thực quan trọng của thế giới, rất nhạy cảm với nhiệt độ nóng từ giai đoạn cây mạ cho đến giai đoạn phát dục. Bài tổng quan này, người ta tóm lược những thành tựu gần đây nhất trong hiểu biết về những cơ chế phân tử của phản ứng cây lúa với nhiệt độ nóng, bao gồm heat sensing (cảm biến nhiệt) và tín hiệu, điều tiết phiên mã, tiến trình của phân tử transcript, dịch mã thành protein, và điều tiếu hậu giải mã. Người ta còn tóm lược những ảnh hưởng “không thể đảo ngược” của nhiệt độ cao trên giai đoạn phát dục và nhiệt độ cao đối với phẩm chất hạt lúa. Cuối cùng, người ta thảo luận những thách thức và cơ hội cho nghiên cứu tương lai về phản ứng với stress nhiệt của cây lúa.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36478590/

Đặc điểm tinh bột của gạo rang từ giống lúa có tính trạng “tinh bột kháng cao”

Đặc điểm tinh bột của gạo rang từ giống lúa có tính trạng “tinh bột kháng cao”

Nguồn: Ruifang Yang, Jianhao Tang, Qi Zhao, Zhongze Piao, Gangseob Lee, Changzhao Wan, Jianjiang Bai. 2023. Starch Properties of Roasting Rice from Naturally High-Resistant Starch Rice Varieties. Molecules; 2023 Sep 2; 28(17):6408. doi: 10.3390/molecules28176408.

 

Nghiên cứu ảnh hưởng của ẩm độ hạt điều khiển các đặc tính hạt gạo, phẩm chất, và sự tiêu hóa tinh bột in vitro của bột gạo rang (roasted rice powder) từ sản phẩm của giống lúa tinh bột kháng tự nhiên cao (RS cao). Kết quả này minh chứng rằng việc điều chỉnh ẩm độ hạt trước khi rang có ảnh hu67o3ng đáng kể đến hàm lượng RS (tinh bột cao) của bột gạo rang. Trong những nghiệm thức xử lý ẩm độ khác nhau, người ta thêm 15% nước (tỷ lệ rice-to-water là 85:15) trước khi rang sẽ cho kết quả hàm lượng RS cao nhất, đạt 22,61%. Những thống số chính của các mẫu gạotrước và sau khi xử lý ẩm độ hạt tối hảo được người ta phân tích cẩn thận, bao gồm tính ổn định của nhiệt (thermal stability), sự phân bố chiều dài chuỗi dây tinh bột, thành phầm hương vị dễ bay hơi, và kính hiển vi “scanning electron”. Bên cạnh đó, các đặc điểm thủy phân in vitro  đều được đo lường cẩn thận. Kết quả cho thấy những hợp chất hương vị dễ bay hơi trong mẫu gạo rang RS cao gia tăng đáng kể do với gạo không được rang. Hơn nữa, tính ổn định nhiệt của các mẫu gạo được cải tiến, và sự phân bố chiều dài chuỗi tinh bột biểu hiện có thay đổi rất ý nghĩa. Sự hút nước và các đặc điểm kéo dài tinh bột thấp hơn có ý  nghĩa trong mẫu gạo rang có RS cao. Hơn nữa, tính chất thủy phân tinh bột in vitro của bột gạo rang của giống lúa có RS cao cho thấy mức độ thủy phân tinh bột thấp hơn đáng kể so với giống lúa thường, điều này chỉ ra rằng “chỉ số thủy phân tinh bột thấp hơn”  trong giống lúa có RS cao với kiểu gen sbe-rs. Nhìn chung, tiến trình rang gạo của những giống lúa có RS cao sửa được đặc tính của nó, làm tăng hàm lượng tinh bột kháng RS, tăng hoạt hương vị của cơm, và kết quả cũng ghi nhận mưc độ thủy phân tinh bột cũng thấp hơn so với giống lúa thường. Kết quả cung cấp cơ sở dữ liệu đáng giá phục vụ công nghiệp thực phẩm để gia tăng sự áp dụng giống lúa có RS cao với những biến thể của gen SBEIIb, như giống lúa Youtangdao2 (YTD2).

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37687237/

 

Hình: Thủy phân tinh bột in vitro của giống lúa có RS cao và giống lúa thường trước và sau khi rang. Đối chứng: bánh mì trắng

 

“Knockout” gen OsSTP15 làm tăng năng suất lúa, tăng số chồi, tăng hàm lượng đường tại gốc chồi thân cây lúa (Oryza sativa L.)

 “Knockout” gen OsSTP15 làm tăng năng suất lúa, tăng số chồi, tăng hàm lượng đường tại gốc chồi thân cây lúa (Oryza sativa L.)

Nguồn: Mingjuan Li, Hongye Li, Qidong Zhu, Dong Liu, Zhen Li, Haifei Chen, Jinsong Luo, Pan Gong, Abdelbagi M. Ismail, Zhenhua Zhang. 2023. Knockout of the sugar transporter OsSTP15 enhances grain yield by improving tiller number due to increased sugar content in the shoot base of rice (Oryza sativa L.). New Phytologist; First published: 27 November 2023; https://doi.org/10.1111/nph.19411

 

Chất vận chuyển đường STPs (sugar transporter proteins) đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong điều hòa tính chống chịu stress của thực vật, sự tăng trưởng và phát triển của cây. Tuy nhiên, vai trò của STPs trong điều tiến năng suất cây trồng vẫn chưa được biết rõ.

 

Nghiên cứu này làm sáng tỏ cơ chế bằng cách “knockout” gen mã hóa sugar transporter OsSTP15 làm tăng cường năng suất hạt thông qua  làm tăng số chồi của cây lúa.

 

Người ta thấy gen OsSTP15 biểu hiện rất đặc biệt gốc gốc chồi thân lúa và bó mạch của bẹ lúa còn non; gen này mã hóa protein có chức năng vận chuyển dòng glucose có ái lực cao ở tại màng plasma. Gen OsSTP15 bị knockout đã làm tăng cường sự tổng hợp sucrose và trehalose-6-phosphate (Tre6P) p73 lá lúa; cải tiến sự vận chuyển sucrose đến gốc chồi thân bằng cách kích hoạt sự thể hiện của những phân tử “sucrose transporters”. Hàm lượng glucose, sucrose, và Tre6P cao hơn đáng kể được quan sát ở gốc chồi thân của cây lúa stp15. Phân tích hệ transcriptome và hệ metabolome của gốc chồi thân lúa chứng minh rằng dòng lúa “OsSTP15 knockout” điều tiết theo kiểu “up” sự biểu hiện của gen có liên quan đến tổng hợp cytokinin (CK)  và chu trình truyền tín hiệu; làm tăng hàm lượng CK levels.

 

Kết quả này gợi ra rằng “OsSTP15 knockout” ức chế sự xuất ra glucose từ dịch tế bào chất  và đồng thời làm tăng sự vận chuyển đường từ lá lúa đến gốc chồi thân bằng cách tăng cường sự tổng hợp sucrose và Tre6P tại lá lúa. Sự tích lũy sau đó của glucose, sucrose, và Tre6P tại gốc chồi thân  làm tăng cường sự đẻ nhánh bởi kích hoạt chu trình truyền tín hiệu CK.

 

Xem https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.19411