IAS và tuần tin khoa học 713
Di truyền tính kháng bệnh ghẻ củ khoai tây (wart)
Hai loci mới có ảnh hưởng chính (Sen4 và Sen5) cộng với nhiều QTL có ảnh hưởng thứ yếu, điều khiển tính kháng bệnh ghẻ củ khoai tây (wart disease) đã được xác định trên bản đồ di truyền. Tầm quan trọng của những loci thứ yếu này mang lại tính kháng toàn diện (full resistance) đôi với bệnh wart củ khoai tây (hình) được người ta nghiên cứu cẩn thận. Sử dụng các gen kháng mới này, người ta thiết kế một panel của vật liệu bố mẹ khoai tây phục vụ cải tiến giống và các loài Solanum hoang dại để sàng lọc di truyền. Điều này mang lại kết quả có tên chuyên môn là “hitch-hikers-guide” trong tập đoàn vật liệu bố mẹ kháng bệnh wart. Bệnh ghẻ củ khoai tây (wart disease) do nấm lan truyền trong đất: Synchytrium endobioticum gây ra. Đây là bệnh phá hoại khá nghiêm trọng trong sản xuất khoai tây. Bởi vì nó tác động làm giảm năng suất rất lớn, người ta chưa có biện pháp xử lý thuốc hóa học thành công; người ta chưa có đầy đủ thông tin về sự hình thành bào tử và thời gian ngủ nghỉ của nó với sức sống rất dài. Do vậy, cải tiến giống bằng con đường lai tạo và chọn lọc tính kháng bệnh là giải pháp hiệu quả hơn hết. Theo nghiên cứu này, một đánh giá kiểu hình và kiểu gen nguồn vật liệu bố mẹ đã được tiến hành. Thông qua kỹ thuật GWAS (genome-wide association study), người ta xác định Sen4, kết hợp với tính kháng pathotypes 2, 6 và 18. Những chỉ thị associated SNPs được vẽ trên bản đồ ở vai ngắn của nhiễm sắc thể 12 và được minh chứng có liên kết với tính kháng bệnh trong quần thể con lai full-sib. Bên cạnh đó, người ta phân tích theo kỹ thuật BSA (bulked segregant analysis) kết hợp với CoSSA (Comparative Subsequence Sets Analysis) mang đến kết quả xác định được Sen5, kết hợp với tính kháng pathotypes 2, 6 và 18 resistance, trên vai ngắn của nhiễm sắc thể 5. Bên cạnh hai loci chủ lực này, kết quả chạy GWAS và CoSSA cho phép người ta phân lập được nhiều QTL khác (quantitative trait loci) rấ cần cho tính kháng toàn diện đối với bất cứ pathotypes nào khác. Panels của giống khoai tây và mẫu thu thập giống (accession) của chi Solanum được tiến hành sàng lọc di truyền các gen Sen1, Sen2, Sen3, Sen4 và Sen5. Kết hợp với phân tích gia phả, người ta có thể truy dấu vết của những gen này của những nguồn vật liệu cho là giống khoai tây tổ tiên kháng bệnh (ancestral resistance donors). Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03678-x
Hình: GWAS biểu thị kiểu gen kháng pathotypes 2, 6 và 18. Giản đồ Manhattan biểu thị a P2, b P6 và c P18 resistance.
Giống bắp đơn bội kép
Đơn bội được sản sinh tự nhiên trong cây bắp (Zea mays L.) ở nhiều mức độ khác nhau trong thiên nhiên và có thể được sản sinh nhân tạo bằng những phương pháp xử lý khác nhau. Đơn bội được sử dụng để phát triển dòng đơn bội kép DHs (doubled haploids), với tiềm năng rất lớn cho nhà chọn giống khai thác. Phát triển dòng bắp DH bao gồm các bước như sau: kích thích tạo ra đơn bội (haploid induction), phân lập dòng đơn bội (haploid identification), tạo nhiễm thể kép (chromosome doubling), và gieo hạt trên ruộng cho cây tự thụ phấn, cây D0. Kích thích tạo cây đơn bội có nhiều phương pháp. Phương pháp in‐vivo dòng cây mẹ đơn bội là phương pháp phổ cập nhất. Haploid induction là kỹ thuật đáng tin cậy khi xác định còn mập mờ những haploids trong tập đoàn phức hợp của những thể bội khác nhau. Haploid identification được hỗ trợ bởi những markers hình thái quan sát được, và kỹ thuật đếm nhiễm sắc thể, đo đếm tế bào (flow cytometry), chỉ thị phân tử, và nhiều pp khác nữa. Sự nhân đôi nhiễm sắc thể (chromosome doubling) có thể do tự phát doubling hoặc do tác động có tính chất antimicrotubular. Trong cách thức sử dụng dòng DH, người ta thường phát triển chúng thành dòng cận giao (inbred lines), sàng lọc di truyền hệ gen GS (genomic selection), lập bản đồ QTL, và mở khóa mật mả những biến thể di truyền mới (genetic variations). Mặc dù công nghệ DH rất có tiềm năng lớn trong cải tiến giống bắp, nhưng còn có quá nhiều thách thức trong từng giai đoạn của quy trình phát triển dòng DH. Bài này tóm lược tầm quan trọng của phát triển dòng DH bắp, quy trình từng bước, cơ hội và thách thức. Xem https://acsess.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/csc2.20261
Gen điều khiển ưu thế lai năng suất lúa
QTL quy định ưu thế lai (hterosis), gồm có qSS7 và qHD8, với ảnh hưởng tính trội dị hợp tử (dominance) được người ta xác định thông qua kỹ thuật GBS và đánh giá kiểu hình theo quy mô lớn của quần thể con lai CSSLs và quần thể hybrid F1 trên ruộng thí nghiệm. Ưu thế lai đã và đang góp phần vào sản lượng nông nghiệp rất đáng kể trên quy mô toàn thế giới, nhưng cơ sở di truyền của nó vẫn chưa rõ ràng. Người ta tiến hành đánh giá ảnh hưởng tính trội (dominance effects: dị hợp tử trong di truyền số lượng) bằng cách tạo ra hai quần thể con lai: quần thể B-homo set với nền tảng đồng hợp tử + heterozygous chromosomal segments; và quần thể B-heter set với nền tảng heterozygous background + homozygous segments.
Quần thể CSSLs bao gồm 156 dòng hồi giao (chromosome segment substitution lines) với dòng mẹ tái tục là giống lúa 9311, dòng bố là giống super-high-yield đầu tiên có tên là Liang you pei 9 (LYP9), với một giống mẹ nữa là PA64s của lúa ưu thế lai. C1c dòng CSSLs này được tiến hành phân tích GBS (genotyping-by-sequencing) để phát triển một bản đồ di truyền chứa các đoạn phân tử (segments) được du nhập từ nguồn PA64s. Người ta đánh giá ảnh hưởng ưu thế lai trên tám tính trạng có liên quan đến năng suấ, trong giống lúa lai này và quần thể F1 ở thí nghiệm đồng ruộng quy mô lớn, hai năm liên tục. Sử dụng bản đồ liên kết di truyền có 8 chỉ thị SNPs phân giải cao, người ta xác định được những gen có trong LYP9. Năm gen ứng cử viên góp phần lớn vào năng suất giống lúa LYP9, đó là qSS7 và qHD8 được phát hiện lập lại trong cả hai quần thể B-hybrid. Những đoạn phân tử heterozygous segments mang qSS7 và qHD8 biểu hiện tính chất dominance góp phần vào kết quả heterosis của những tính trạng cấu thành năng suất lúa trong con lai của giống lúa Liangyoupei9. Xem: https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-020-03669-y
Figure 2: QTLs được tìm thấy trên 12 nhiễm sắc thể. Giá trị vật lý bên trái tính bằng Mb. QTLs được phát hiện ở vùng E1 biểu thị màu vàng cam, QTLs vùng E2 biểu thị bằng màu xanh green. Trong những QTLs này, qSS7 và qHD8 được xác định lập lại ở cả hai hybrid sets theo nền tảng đồng hợp tử (a) và theo nền tảng dị hợp tử (b), theo thứ tự.
Multiplex CRISPR/Cas9 để chỉnh sửa gen cây đậu nành có nhiều isoflavone và kháng bệnh khảm
Isoflavonoids, được xem như những chất biến dưỡng thứ cấp (secondary metabolites), dẫn xuất từ chu trình phenyl propanoid và phân bố ưu tiên trong thực vật họ Đậu. Các hợp chất ấy đóng vai trò tích cực trong mối tương tác giữa thực vật và ngoại cảnh, rất cần thiết cho sức khỏe con người. Isoflavone synthase (IFS) là một enzyme chủ lực trong tổng hợp isoflavonoid và chia sẻ một cơ chất (common substrate) có flavanone-3-hydroxylase (F3H) + flavone synthase II (FNS II). Theo nghiên cứu này, người ta chỉnh sửa gen bằng hệ thống CRISPR/Cas9-mediated multiplex đổ chỉnh sử đồng thời gen mục tiêu GmF3H1, GmF3H2 và GmFNSII-1 trong rễ tơ đậu nành và trong cây đậu nành. Nhiều kiểu đột biến khác nhau thể hiện và tần suất được quan sát ở rễ tơ (hairy roots). Hiệu quả đột biến cao được quan sát ở thế hệ T0 transgenic, với hiệu quả đột biến của triple gene đạt 44.44%. Kết quả đột biến tại đích đến như vậy được di truyền ổn định cho thế hệ con. Phân tích biến dưỡng của T0 triple-mutants trên lá đậu nành cho thấy: có sự cải tiến đáng kể hàm lượng isoflavone. So sánh với cây đậu nành nguyên thủy (wild type), thế hệ T3 homozygous triple mutants dường như tăng gấp đôi hàm lượng isoflavone trong lá, và hàm lượng CP (coat protein) của bệnh khảm do virus SMV (soya bean mosaic virus) giảm đáng kể (một phần ba) khi xử lý chủng nòi (strain) SC7. Kết quả này gợi ra rằng hàm lượng isoflavone tăng giúp lá kháng tốt với SMV. Hàm lượng isoflavone trong hạt đậu nành thế hệ T2 triple mutants cũng tăng lên đáng kể. Kết quả nghiên cứu cho thấy không phải chỉnh sửa gen làm tăng hàm lượng isoflavone mà còn làm tăng tính kháng bệnh khảm virus SMV khi tiến hành multiplex mutations cây đậu nành. Xem: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31769589/
Hình 1: Cải biên đích đến GmF3H1, GmF3H2 và GmFNSII‐1 bằng hệ thống chỉnh sửa gen multiplex CRISPR/Cas9. (a) Sơ đồ GmF3H1, GmF3H2 và GmFNSII‐1 loci. Vùng CDS biểu thị bằng màu vàng, phân tử mRNA transcripts biểu thị bằng đường thẳng màu đen. Vị trí và trình tự của sgRNA cho thấy vùng đích đến, gắn liền với PAM (protospacer adjacent motif) biểu thị bằng màu đỏ được gạch đích với GC%. (b) Sơ đồ của multiplex CRISPR/Cas9 vectors được dùng để cải biên GmF3H1, GmF3H2 và GmFNSII‐1. Bar, gen kháng glufosinate; GmUbi3pro, promoter của GmUbi3; GmU6, promoter của GmU6‐16g‐1; GmU3, promoter của GmU3‐19g‐1, CaMV‐T, terminator của Cauliflower mosaic virus (CaMV); dpCas9, dicotyledon codon‐optimized Cas9.
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét