Cải tiến tính trạng năng suất nhờ chỉnh sửa gen tại promoter của Ghd7 và PRR37 của giống lúa Mei Xiang Zhan 2

 Cải tiến tính trạng năng suất nhờ chỉnh sửa gen tại promoter của Ghd7 và PRR37 của giống lúa Mei Xiang Zhan 2

Nguồn: Xiaotong Guo, Kangli Sun, Zeqiang Wu, Dongdong Xiao, Yingang Song, Shengting Li, Guangliang Wei, Weitao Li, Yu Hao, Bingqun Xu, Kai Zhang, Nan Liao, Dan Hu, Yao-Guang Liu, Wubei Zong & Jingxin Guo. 2025. Improving yield-related traits by editing the promoter and distal regulatory region of heading date genes Ghd7 and PRR37 in elite rice variety Mei Xiang Zhan 2. Theoretical and Applied Genetics; April 5 2025; vol. 138; article 92

Nhóm tác giả tiến hành chỉnh sửa trình tự vùng promoter và vùng điều tiết promoter xa (distal regulatory region) của gen đa tính trạng (pleiotropic) có tên là  Ghd7 và gen PRR37 sẽ giảm được khả năng làm trễ ngày trổ bông, trong khi đó, việc này sẽ cải tiến được khả năng làm tăng năng suất hạt, cung cấp nguồn vật liệu di truyền bố mẹ trong cải tiến giống lúa.

Ngày trổ bông là một tính trạng nông học cần thiết của cây lúa, ngày trổ điều khiển cây lúa thích ứng với canh tác theo vĩ độ khác nhau và năng suất của nhiều giống lúa. Tối ưu hóa được ngày trổ bông của giống cao sản trong cải tiến giống cụ thể có thể mở ra một cách có ý nghĩa khả năng canh tác lúa trên nhiều vùng trồng khác nhau. Gen Ghd7 và PRR37 là hai gen then chốt điều khiển tính trạng ngày trổ và làm tăng cường các tính trạng nông học mong muốn. Trong giống cao sản loại hình indica là Mei Xiang Zhan 2 (MXZ2), người ta áp dụng chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR/Cas9 làm phát sinh có hiệu quả các dòng đột biến đồng hợp tử với mốt sự thay đổi theo chiều hướng thông qua kỹ thuật “multi-target editing” (chỉnh sửa nhiều vùng đích) trong khu vực “promoter” và khu vực điều tiết xa của hai gen Ghd7 và PRR37. Có nhiều mức độ khác nhau của điều tiết theo kiểu “down” trong biểu hiện gen Ghd7 hoặc PRR37, làm chức năng gen bị tổn hại, và sự tiến tri63n của tính trạng ngày trổ đã được quan sát ở dòng lúa đột biến. Một số dòng đột biến biểu hiện trổ bông sớm và năng suất tăng, trong khi, giữ nguyên vẹn phẩm chất đặc biệt của MXZ2. Kết quả này cho thấychỉnh sửa gen vùng promoter và “distal regulatory region” của gen đa tính trạng (pleiotropic) có tên Ghd7 và PRR37 làm giảm được khả năng làm trể hơn ngày trổ bông, trong khi đó, làm tăng khả năng cho năng suất hạt, tạo ra được nguồn vật liệu bố mẹ trong cải tiến giống lúa.

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40186758/

TRANSPORTER 1 (OsIRT1) và OsIRT2 có trong sự hấp thu sắt của cây lúa (Oryza sativa)

TRANSPORTER 1 (OsIRT1) và OsIRT2 có trong sự hấp thu sắt của cây lúa (Oryza sativa)

Nguồn: Deka Reine Judesse Soviguidi, Huaqian Ping, Bangzhen Pan, Rihua Lei, Gang Liang. 2025 TRANSPORTER 1 (OsIRT1) and OsIRT2 are involved in ferrous iron uptake in rice. Plant Physiology and Biochemistry; 22 May 2025, 110059

Sắt (Fe) lấy từ đất là nguồn dinh dưỡng cần thiết để cây lúa tăng trưởng và phát triển bình thường. Gen OsIRT1 và OsIRT2 bị kích hoạt khi cây lúa thiếu sắt; tuy nhiên, người ta chưa biết rõ cây lúa hấp thu sắt là do thiếu gen đích này trong cây lúa đột biến kiểu loss-of-function. Nghiên cứu này định tính chức năng của OsIRT1 và OsIRT2. Cả hai OsIRT1 và OsIRT2 đều có thể cứu sống hiện tượng thiếu sắt của gen đồng dạng Atirt1 trong cây Arabidopsis khi chúng được thiết kế vector có CaMV35S promoter. Công nghệ chỉnh sửa gen theo hệ thống CRISPR-Cas9 được khái thác nhằm phát sinh ra dòng đột biến đa dạng, Osirt1, Osirt2, và Osirt1/Osirt2. Trong điều kiện thí nghiệm trong dung dịch dinh dưỡng với nhiều nghiệm thúc khác nhau về Fe, đối chúng là không có sắt: Fe-free (-Fe), Fe(II), và Fe(III), không có sự khác biệt khi quan sát bằng mắt thường giữa các dòng mutants và dòng wild type (nguyên thủy). Biểu hiện của những gen Strategy II được tăng hoạt trong các dòng lúa đột biết trong nghiệm thức thiếu sắt. Kết quả đo lường hàm lượng Fe cho thấy hàm lượng Fe thấp hơn trong dòng lúa mutants so với dòng lúa wild type trong nghiệm thức Fe(II), nhưng không trong nghiệm thức -Fe và Fe(III). Khi trồng lúa trên ruộng, hàm lượng sắt trong hạt lúa thấp hơn ở dòng lúa mutants so với dòng lúa wild type. Phân tích biểu hiện gen cho thấy thành viên OsbHLH IVc, OsPRI1, rất cần cho điều tiết theo kiểu “up” của gen OsIRT1 và OsIRT2 phản ứng với thiếu Fe của cây lúa. Hơn nữa, OsPRI1 và OsPRI2 gắn kết và kích hoạt promoters của hai gen OsIRT1 và OsIRT2. Người ta đã định tính được chức năng của OsIRT1 và OsIRT2 trong hấp thu Fe(II), cung cấp kiến thức về cơ chế phân tử của tính trạng sinh lý “Fe homeostasis” được duy trì trong cây lúa.

 

Xem https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S098194282500587X

Tiến hóa của hệ gen chi Oryza thông qua lăng kính tứ bội (tetraploid lens)

 Tiến hóa của hệ gen chi Oryza thông qua lăng kính tứ bội (tetraploid lens)

Alice Fornasiero, Tao Feng, Noor Al-Bader, Aseel Alsantely, Saule Mussurova, Nam V. Hoang, Gopal Misra, Yong Zhou, Leonardo Fabbian, Nahed Mohammed, Luis Rivera Serna, Manjula Thimma, Victor Llaca, Praveena Parakkal, David Kudrna, Dario Copetti, Shanmugam Rajasekar, Seunghee Lee, Jayson Talag, Chandler Sobel-Sorenson, Marie-Christine Carpentier, Olivier Panaud, Kenneth L. McNally, Jianwei Zhang, Andrea Zuccolo, M. Eric Schranz2 & Rod A. Wing. 2025. Oryza genome evolution through a tetraploid lens. Nature Genetics; Volume 57 | May 2025 | 1287–1297

Oryza là một chi rất đáng chú ý có tất cả 27 species và 11 genome types, với kích cỡ hệ gen biến thiên trong độ lớn ~3.4-fold, chứa đựng nguồn gen gần như chưa được khai thác, vẫn có thể được dùng, được khai thác và tiếp tục thuần hóa  mới. Ở đây, người ta giới thiệui 11 assemblies ở mức độ nhiễm sắc thể (chí tứ bội, hai lưỡng bội) trong ngữ cảnh của ~15 triệu nắm tiến hóa và chỉ ra rằng hệ gen cốt lõi của chi Oryza (sub) chỉ lớn  khoảng ~200 Mb và mang tính đồng dạng di truyền lớn (largely syntenic), trong khi,  các phần còn lại trong nhân “nuclear fractions” (~80–600 Mb) được xếp xen kẽ, tiến hóa một cách nhanh chóng và mềm  mại (plastic and rapidly evolving). Đối với halophyte của Oryza coarctata, tác giả thấy mặc dù có phân đoạn gen trong các hệ gen phụ (subgenomes), nhưng các gen có tính chất tương đồng (homoeologous) được biểu hiện ở những mức độ cao hơn trong một subgenome nào đó so với các khác theo hình thức “mosaic” (đan xen lẫn nhau), chứng tỏ có sự tương đương của subgenome. Sự tích hợp như vậy của 11 genome tham chiếu mới với cơ sở dữ liệu của genome được công bố trước đây  cung cấp một cách nhìn hoàn chỉnh về hậu quả của tiến hóa đối với sự đa dạng hệ gen (genome diversification) ở trong chi này (Oryza).

Xem https://www.nature.com/articles/s41588-025-02183-5

 

Hình | Phác họa  nền tảng “syntenic” (quan hệ đồng dạng di truyền) và tái xếp đặt về cấu trúc quy mô lớn của 12 loài thuộc chi Oryza (21 (sub)genomes) với nhóm loài bền ngoài chi L. perrieri. Biều đồ “Riparian plot” biểu thị các vùng “macro-syntenic” và sự tái cấu trúc diện rộng ( lặp đoạn rất lớn và chuyển vị rất lớn) giữa các nhiễm sắc thể của 12 loài Oryza (21 (sub)genomes) và outgroup species là loài Leersia perrieri. Các kiểu gen được biểu thị tùy theo thứ tự có tính chất phylogenetic (di truyền huyết thống) trong chi này, từ trên cùng (O. sativa (genome AA)) đến tận đáy (O. meyeriana (genome GG)). Mỗi nhiễm sắc thể được cho màu khác nhau theo thứ tự: Chr1, màu cam; Chr2, màu beige; Chr3, màu celeste; Chr4, màu steel blue; Chr5, màu navy blue; Chr6, màu tím đậm; Chr7, màu plum; Chr8, màu magenta; Chr9, màu raspberry; Chr10, màu đỏ ruby; Chr11, màu coral; Chr12, màu salmon. Nhiễm sắc thể được đo lường bằng độ dài “assembly length”.

Tiến hành knockout gen OsKCS11 nhờ hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 trong cây lúa cho thấy tương tác đầy tiềm năng giữa chuỗi rất dài acid béo và cytokinin

 Tiến hành knockout gen OsKCS11 nhờ hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 trong cây lúa cho thấy tương tác đầy tiềm năng giữa chuỗi rất dài acid béo và cytokinin

Nguồn: Jianping Zhou, Rui Pang, Yangshuo Han, Yachong Guo, Yibo Wang, Hongjun Yang, Wei Wang, Xinxuan Fu, Rui Zhang, Xuelian Zheng, Tao Zhang, Yong Zhang, Quan Wang. 2025. CRISPR-Cas9-mediated knockout of OsKCS11 in rice reveals potential crosstalk between very-long-chain fatty acids and cytokinin. Plant Journal; 13 May 2025; Volume 122, Issue 3; https://doi.org/10.1111/tpj.70208

Acid béo có chuỗi rất dài VLCFAs (very-long-chain fatty acids) đóng vai trò quan trọng trong nhiều tiến trình sinh lý học của cây. Kết quả nghiên cứu này dựa trên đột biến có chủ đích nhờ thư viện “knockout mutant” cây lúa thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9, tác giả xác định được một đột biến nửa lùn là CRISPR-Cas-based dwarf-1 (csd-1). Đột biến này biểu thị nhiều khuyết điểm trong phát triển, ví dụ chiều cao cây giảm, dài bông lúa giảm, kích thước hạt giảm, và mật độ đóng hạt cũng giảm. kết quả “whole-genome resequencing” cho thấy có một đảo đoạn “T-nucleotide” trong “β-ketoacyl-CoA synthase 11” (KCS11), chịu trách nhiệm bước đầu tiên trong tiến trình kéo dài chuỗi acid béo, biểu hiện những khiếm khuyết quan sát thấy ở csd-1. Nhận dạng csd-1 được xác định nhờ thông tin bổ sung di truyền và knockout trên cơ sở CRISPR-Cas9. Phân tích biểu hiện gen cho thấy OsKCS11 có mặt trong nhiều mô khác nhau, có mức độ phong phú khác nhau thông qua kết qủa RT-qPCR  và nhuộm màu “promoter GUS”, thích ứng mạnh mẽ tại vị trí nút nhờ kết quả “RNA in situ hybridization”; bên cạnh đó, protein OsKCS11 được xác định có trong mạnh võng nội chất (endoplasmic reticulum). Gen csd-1 biểu hiện đáng kể mức độ giảm linolenic acid (18:3), C24:0-OH, C28:0-alkanes, C29:0-alkanes, alpha-tocopherol, và C33:0-alkanes, trong khi, mức độ của trans-nonadecenoic acid và behenic acid được tăng lên. Phân tích cytokinin cho thấy có sự gia tăng đáng kể của isopentenyladenine (IPA) và cis-zeatin (cZ) trong cây đột biến csd-1. Kết quả nghiên cứu phân tử cho thấy  điều tiết theo kiểu “up” của các gen có trong sinh tổng hợp cytokinin hoặc truyền tín hiệu, như vậy, có một liên kết đầy tiềm năng giữa VLCFAs và tổng hợp cytokinin thông qua acetyl-CoA. Kết quả này không chỉ đề ra một phương pháp lập bản đồ gen thay thế trê cơ sở “whole-genome resequencing”, mà còn làm sáng tỏ cơ chế VLCFAs ảnh hưởng đến tổng hợp cytokinin và truyền tín hiệu.

Xem  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/tpj.70208

Phân tích cơ chế điều khiển của gen OsbHLH34-OsERF34 quy định tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa

 Phân tích cơ chế điều khiển của gen OsbHLH34-OsERF34 quy định tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa

Nguồn: Hongyang Zhai, Chang Zhou, Yating Zhang, Yiming Wang, Mengyu Wang, Songhong Wei, Tianya Li. 2025. Mechanism Analysis of OsbHLH34-OsERF34 Mediated Regulation of Rice Resistance to Sheath Blight. Int J Mol Sci.; 2025 Mar 3; 26(5):2249. doi: 10.3390/ijms26052249.

Yếu tố phiên mã (TFs) là những phân tử chủ chốt  trong phiên mã và sau phiên mã của cây trồng, đóng vai trò thiết yếu trong phản ứng với stress sinh học của cây. Tác giả đã định tính được một “regulatory factor”, đó là gen OsbHLH34, gen này điều khiển  phản ứng của cây lúa với sự xâm nhiễm của nấm Rhizoctonia solani AG1-IA. Gen OsbHLH34 biểu hiện có tác động đáng kể với sự nhiễm bệnh của cây lúa đối với nấm Rhizoctonia solani. Thông qua phân ly của các thế hệ cây lúa có OsbHLH34 bị knockout và biểu hiện mạnh mẽ, tác giả ghi nhận gen OsbHLH34 hoạt động như một regulator rất tích cực của tính kháng bệnh đốm vằn của cây lúa. Diện tích vết bệnh trên lá trung bình của cây biểu hiện gen mạnh mẽ là 14.3%, của cây wild type (nguyên thủy) là 36%,  và của cây đột biến là 67.6%. Kết quả phân tích hệ transcriptome và qRT-PCR cho thấy OsbHLH34 điều tiết biểu hiện gen OsERF34, đó là một TF chủ chốt  trong sinh tổng hợp ethylene và kháng bệnh đốm vằn. Thông qua kết quả “yeast one-hybrid” và xét nghiệm “dual luciferase”, tác giả chứng minh được OsbHLH34 tương tác trực tiếp với promoter của gen OsERF34, nhờ vậy, kích hoạt sự phiên mã. Cả xét nghiệm in vitro và in vivo đều xác định OsERF34 là gen đích trực tiếp của OsbHLH34. Kết quả này không những tăng cường sự hiểu biết của chúng ta về cơ chế phân tử hỗ trợ khả năng kháng bệnh của cây lúa, mà còn thu thập những đích mới để cải tiến giống lúa cao sản kháng bệnh thông qua các chiến lược chọn giống. 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40076870/

Tổng quan về di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa trong kỷ nguyên Post-Genomics

 Tổng quan về di truyền tính kháng bệnh đạo ôn lúa trong kỷ nguyên Post-Genomics

Nguồn: Rodrigo Pedrozo, Aron Osakina, Yixiao Huang, Camila Primieri Nicolli, Li Wang, Yulin Jia. 2025. Status on Genetic Resistance to Rice Blast Disease in the Post-Genomic Era. Plants (Basel); 2025 Mar 5; 14(5):807. doi: 10.3390/plants14050807.

Bệnh đạo ôn lúa, do nấm Magnaporthe oryzae, là mối đe doạn to lớn cho sản xuất lúa toàn thế giới, đòi hỏi sự phát triển giống lúa kháng bệnh thông qua cải tiến di truyền. Những đột phá trong hệ gen cây lúa, bao gồm giải trình tự toàn hệ gen của japonica và indica và khả năng tạo ra chỉ thị phân tử dựa trên trình tự đa dạng ấy, đạt được tiến bộ lớn trong di truyền tính kháng bệnh này.

Đến hôm nay, người ta dự đoán có tất cả 122 gen kháng đạo ôn được phân lập, với 39 gen được dòng hóa và các định đặc điểm phân tử. Áp dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) đã và đang cải thiện đáng kể kết quả chọn giống lúa, cho phép tích hợp một cách hiệu quả đa gen kháng vào cùng một giống lúa ưu việt, làm tăng cả hai mục tiêu: kháng phổ rộng và kháng bền vững. Nghiên cứu có tính chất pangenomic, theo công cụ chạy nhờ AI như AlphaFold2, RoseTTAFold, và AlphaFold3, đã và đang thúc đẩy việc phân lập gen và việc định tính chức năng của chúng với tính kháng bệnh đạo ôn, khẳng định triển vọng cải tiến giống. Quản lý bệnh đạo ôn trong tương lai sẽ tùy thuộc vào công nghệ có tính chất “genomic” và công nghệ lập trình toán học. Người ta nên nhấn mạnh đến những công cụ tính toán (computational tools) khi sàng lọc trên quy mô lớn các gen kháng và sử dụng chỉnh sửa gen như hệ thống CRISPR-Cas9 để làm rõ chức năng của gen, tăng cường và khai thác nguồn gen đích. Những tiếp cận như vậy sẽ cần thiết nhằm nâng cao khả năng kháng bệnh đạo ôn, đảm bảo an toàn lương thực và phát triển nông nghiệp bền vững.

Xem  https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40094775/

Bí mật di truyền của lúa mở đường cho tương lai trồng trọt và bảo tồn

 Bí mật di truyền của lúa mở đường cho tương lai trồng trọt và bảo tồn

Một nghiên cứu mới do các nhà khoa học tại ĐH Khoa học và công nghệ King Abdullah (KAUST, Ả rập Saudi) và ĐH Wageningen (Hà Lan) đã đem lại những cái nhìn mới vào sự tiến hóa của lúa, khi chứng tỏ DNA của cây trồng giá trị này đã thay đổi khắp các loài.

Phát hiện này được mong đợi sẽ không chỉ giúp cải thiện năng suất lúa gạo mà còn có thể giúp đưa lúa gạo vào những vùng mà giờ chưa thể trồng trọt được.

Nghiên cứu mới được xuất bản trên tạp chí Nature Genetics.

Lúa gạo là một trong những loài cây được thuần hóa sớm nhất, vào khoảng xấp xỉ 10.000 năm trước đây. Sự chọn lọc nhân tạo mà người nông dân đã thực hiện nhằm tạo ra giống lúa nhiều dinh dưỡng và những tính trạng quan trọng khác để tối ưu hóa lợi ích đã làm giảm sự đa dạng di truyền và do đó cả khả năng chống chịu của nó trước các sức ép môi trường.

Nói cách khác, những họ hàng hoang dã của lúa gạo (Oryza) đã trải qua khoảng 15 triệu năm tiến hóa nên có một chuỗi các biến thể di truyền đặc biệt ở khắp hệ gene của nó (tất cả DNA trong một sinh vật), do đó có năng lực thích ứng với mọi điều kiện môi trường như nhiệt độ cao, hạn hán và mặn hóa.

“Chi Oryza có một bộ sưu tập các bộ gene phong phú một cách đáng kinh ngạc. Chúng tôi đã có thể chứng minh các hệ quả của tiến hóa trên các bộ gene được thu thập của lúa gạo và những họ hàng hoang dã của nó”, giáo sư KAUST Rod Wing, người dẫn dắt nghiên cứu cùng với postdoct Alice Fornasiero.

Bộ gene con người là lưỡng bội, khi thừa hưởng hai bộ nhiễm sắc thể – một của bố và một của mẹ. Số lượng nhiễm sắc thể nhiều hơn hay ít hơn đều gây họa. Các loài thực vật có bộ nhiễm sắc thể đa bội, nghĩa là chúng có thể nhận được nhiều bộ nhiễm sắc thể từ cha mẹ chúng. Các bộ nhiễm sắc thể có thể dẫn đến một hệ gene lớn hơn, có thể đem lại sự thích ứng với những sức ép môi trường mới và có thể đem lại sự tiến hóa thành những tính trạng mới, và thậm chí là loài mới.

Nghiên cứu này xem xét chín nhiễm sắc thể tứ bội và hai đa bội của lúa dại. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra là các loài này có thể được phân thành các tập con của các hệ gene. Những khác biệt đó thường do các yếu tố vận chuyển, hay còn được gọi là các gene nhảy, bởi vì chúng là các chuỗi DNA có thể chuyển từ một vị trí nhất định trong bộ gene sang một vị trí khác và là một điều phổ biến trong tự nhiên tạo ra sự đa dạng di truyền.

Thêm vào đó, sự tồn tại của các loài có nhiễm sắc thể đa bội và tứ bội dẫn đến các bộ gene có kích thước lớn gấp đôi hoặc nhiều hơn. Trong một số trường hợp của DNA quy mô lớn này, các gene đã làm tăng cường sức chống chịu của lúa gạo trước các mức nhiệt cao hơn, điều kiện đất đai khô cằn và nhiễm mặn hơn cũng như các điều kiện môi trường bất lợi khác phổ biến ở Trung Đông và ngày một gia tăng ở khắp nơi trên toàn thế giới do biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu này có thể xác định được cây tiến hóa của lúa dại, chứng tỏ các loài mới đột sinh. Lịch sử tiến hóa đó đưa ra những manh mối như khi nào lúa nếm trải những áp lực đáng kể, qua đó kích thích sự thay đổi bộ gene ở lúa để chống chịu.

“Việc phân tích bộ gene trong công trình này đem lại một hiểu biết toàn diện về cách cây lúa và những họ hàng hoang dại phức tạp của chúng đã tiến hóa. Công trình này cũng đưa ra một khung tham chiếu toàn diện cho những nỗ lực trong tương lai để phát triển những loài khỏe mạnh, có tiềm năng chống chịu với các điều kiện môi trường khắc nghiệt”, theo giáo sư Eric Schranz, ĐH Wageningen.

Ý nghĩa ngày càng thêm sâu sắc bởi với 3,5 tỉ người sống phụ thuộc vào cây lúa như một phần quan trọng của chế độ ăn, lúa gạo đã trở thành một trong những cây lương thực quan trọng bậc nhất trên thế giới.