.png)
BẢN TIN KHOA HỌC
1.
Camptothecin phản ứng với nấm gây bệnh đạo ôn lúa Magnaporthe oryzae
Nguồn: Xu S, Wang B, Li L, Zhou Q, Tian M, Zhao X, Peng J, Liu F, Chen Y, Xu Y, Feng X.2020.Effects of camptothecin on the rice blast fungus Magnaporthe oryzae.Pestic Biochem Physiol. 2020 Feb;163:108-116.
Bệnh đạo ôn lúa do nấm Magnaporthe oryzae B. Couch gây ra, được là một trong những đối tượng gây hại nghiêm trọng đế năng suất lúa của thế giới. Camptothecin (CPT), được phân lập ra từ cây Camptotheca acuminata, được biết như là hợp chất có hoạt tính chống khối u (anti-tumor), nó đã được phát triển như một dạng thuốc trừ sâu sinh học có nhiều tiềm năng (biological pesticide). Trước đây, người ta đã nghiên cứu hoạt tính kháng vi trùng của CPT đối với 11 loài khuẩn, 3 loài oomycetes, và 4 loài vi khuẩn. Người ta thấy rằng: CPT tỏ ra vô cùng có hiệu quả đối với khuẩn M. oryzae, chỉ ra đây là một khả năng rất lớn để phát triển thuốc diệt khuẩn theo con đường đấu tranh sinh học đối với quản lý bệnh đạo ôn. Tuy nhiên, ảnh hưởng có tính chất “anti-fungal” như vậy của CPT đối với nấm M. oryzae cần được minh chứng cụ thể hơn. Theo kết quả nghiên cứu này, hoạt tính kháng khuẩn của CPT đối với nấm M. oryzae đã được nghiên cứu rất sâu, kết quả là: CPT tỏ ra hiệu quả kháng nấm M. oryzae cả thí nghiệm vitro và in vivo. Phân tử hệ transcriptome của M. oryzae được phân tích sau khi xử lý bằng CPT, kết quả cho thấy rằng CPT có khả năng ức chế rất mạnh nội dung dịch mã (translation) và "biến dưỡng carbohydrate" / biến dưỡng tạo năng lượng của nấm M. oryzae. Một vài tính trạng sinh lý của nấm M. oryzae cũng được xét nghiệm, khẳng định rằng: CPT ức chế sinh tổng hợp phân tử RNA, protein, và sự biến dưỡng carbohydrate / biến dưỡng năng lượng của nấm M. oryzae. Kết quả gây ra màng tế bào bị tổn thương. Kết quả chạy mô phỏng ở mức độ phân tử cho thấy CPT gắn với mặt ngoài của phức “DNA-topoisomerase I” của nấmM. oryzae. Kết luận: CPT rất có triển vọng dẫn đến kết quả phát triển công nghệ làm thuốc trừ nấm sinh học đối với quản lý bệnh đạo ôn lúa. CPT có thể gắn với “DNA-topoisomerase I complex” của nấm M. oryzae, rồi ảnh hưởng đến sự dịch mã, sự biến dưỡng 'carbohydrate, sự biến dưỡng về năng lượng, làm chết tế bào khuẩn gây bệnh.
Xem thêm tại: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/31973846
2.
Cơ chế tiến hóa của vùng mang gen R trên các nhiễm sắc thể của hệ gen cây lúa
Nguồn: Mizuno H, Katagiri S, Kanamori H, Mukai Y, Sasaki T, Matsumoto T, Wu J. 2020. Evolutionary dynamics and impacts of chromosome regions carrying R-gene clusters in rice. Sci Rep. 2020 Jan 21;10(1):872.
Để làm rõ sự tiến hóa của gen kháng (R-gene), người ta tiến hành so sánh các thành phần của hệ gen và cấu trúc của những vùng mục tiêu trên các nhiễm sắc thể mang gen R hay chùm gen R (clusters) đối với mẫu giống lúa trồng và mẫu lúa hoang dại. Áp dụng kỹ thuật “Map-based sequencing” và “gene annotation” của những vùng mục tiêu thể hiện tính chất tương đồng trong hệ gen cây lúa (từ 1.2 đến 1.9 Mb) rất gần ở đoạn phân tử cuối của vai dài thuộc nhiễm sắc thể số 11 cho thấy các chùm gen R thuộc sáu mẫu giống lúa trồng và mẫu giống hoang dại là tổ tiên của chúng. Các gen R mô típ NBS-LRR của giống lúa trồng châu Á (O. sativa L.) nhiều hơn tổ tiên của chúng. Điều này chứng minh rằng những gen có tính chất “homologs” (đồng dạng) của gen có chức năng mang trong đó cùng chu trình như tăng số lượng do hiệu ứng tự tái bản luân phiên (tandem duplication) của những đoạn phân tử nhiễm sắc thể; chúng được chọn lọc trong tiến trình thuần hóa giống lúa và canh tác giống lúa. Phân tích di truyền huyết thống thông qua kỹ thuật sosa1nh chuỗi trình tự amino acid cho thấy các homologs của cặp gen kháng Pikm1-Pikm2 (NBS-LRR) liên quan đến kháng bệnh đạo ôn, dường như được bảo tồn trong các mẫu giống lúa trồng và lúa hoang, phân tử homolog của gen kháng bệnh bạc lá Xa3/Xa26 (LRR-RLK) không có trong mẫu giống lúa Kasalath.
Xem thêm tại: https://www.nature.com/articles/s41598-020-57729-w
3.
Nguồn tài nguyên di truyền cây bắp và chọn tạo giống bắp
Nguồn: Antoine Allier, Simon Teyssèdre, Christina Lehermeier, Alain Charcosset, Laurence Moreau. 2020. Genomic prediction with a maize collaborative panel: identification of genetic resources to enrich elite breeding programs. Theoretical and Applied Genetics; January 2020, Volume 133, Issue 1, pp 201–215
Dự báo nguồn tài nguyên di truyền có mức độ đa dạng cao hay thấp là công trình nghiên cứu mang tính chất tập thể nhằm xác định và làm giàu nguồn gen quy định tính trạng có đặc điểm “polygenic” trong ngân hàng gen cây bắp. Công tác chọn tạo giống bắp yêu cầu nguồn vật liệu bố mẹ có mức đa dạng di truyền cao, đây là đặc điểm vô cùng quan trọng quyết định thành bại của chương trình lai để duy trì hiệu quả chọn lọc cao (genetic gain) và khả năng đáp ứng với những thách thức mới trước biến đổi khí hậu và nhu cầu đa dạng về nông sản của cộng đồng xã hội mới. Nhiều nguồn tài nguyên di truyền được các nhà chọn giống tiếp cận tốt, nhưng chúng có thể không được phong phú về đa dạng di truyền (broadening the genetic diversity) trong những ngân hàng gen chọn lọc ưu việt. Nghiên cứu này trình bày việc sử dụng chỉ số dự đoán hệ gen (genomic predictions) được xử lý trên tập đoàn giống bắp có tính đa dạng mang đặc điểm hợp tác giữa các nhà chọn giống (collaborative diversity panel), tích hợp được nhiều nguồn di truyền và các dòng bắp ưu tú, để xác định nguồn vật liệu nào có khả năng làm giàu trở thành một “elite germplasm”.
Một tập đoàn giống bắp “collaborative panel” có 386 dòng được xem xét để dự đoán ảnh hưởng của phương pháp “genome-wide marker”. Chỉ số dự đoán nằm trong khoảng 0.40–0.55 được quan sát trên một quần thể lớn của những vật liệu cá thể rất ưu việt (private elite materials), chúng giúp cho việc thu hút sự chú ý của nhà chọn giống đối với “collaborative panel” này về việc quản lý đa dạng như thế nào là hiệu quả hơn hết. Năng suất hạt được đánh giá bởi “marker effects” để sàng lọc ra vật liệu cho (donor) mà tính trạng di truyền tốt nhất là cái gì sẽ được giống bắp cao sản tiếp nhận tại loci nào đó hoặc đoạn haplotype nào đó, hoặc người ta dự đoán được con lai tốt nhất với tính trạng của giống cao sản cho nguồn gen như vậy. Những tiêu chuẩn mới sẽ được so sánh, ví dụ khối lượng nặng hơn so với dòng cho ưu tú, thích nghi tốt hớn đối với mục tiêu lai tạo giống dài hạn. Người ta phát triển cách chọn lọc này trong một tập đoàn các vật liệu cho gen bổ sung trong tập đoàn giống cao sản ưu tú. Người ta xác định được giữa các vật liệu cho (donors) với vật liệu nhận là giống bắp cao sản (elite recipients). Đây là một chứng kết quả làm việc hợp tác theo nhóm (collaborative projects) trên cơ sở nguồn vật liệu co mức đa dạng cao (diversity panels) bao gồm cả nguồn tài nguyên di truyền thuộc viện nghiên cứu nhà nước và ngân hàng gen các giống bắp cao sản ưu việt (elite germplasm) để định tính tốt hơn nguồn tài nguyên di truyền trong ngữ cảnh phải làm giàu ngân hàng gen giống bắp cao sản của thế giới.
4.
“G protein β subunit” giúp cây bắp tăng cường hệ miễn dịch và phát triển bình thường
Nguồn: Qingyu Wu, Fang Xu, Lei Liu, Si Nian Char, Yezhang Ding, Byoung Il Je, Eric Schmelz, Bing Yang, and David Jackson. 2020. The maize heterotrimeric G protein β subunit controls shoot meristem development and immune responses. PNAS January 21, 2020 117 (3) 1799-1805
Cây mễ cốc ví dụ như cây bắp đã và đang cung cấp cho chúng ta nguồn lương thực chính. Năng suất được tập trung chú ý để cải tiến không ngừng thông qua con được chọn lọc các biến dị mới đối với kiến trúc hình thái của cây sao cho quang hợp tốt nhất, và sự phát triển các alen mục tiêu. Tuy nhiên, cây trồng luôn luôn bị tấn công bởi nguồn vi sinh gây bệnh (pathogens) trên đồng ruộng canh tác theo kỹ thuật thâm canh, làm thiệt hại nghiêm trọng năng suất do hiện tượng “defense–growth trade-off” (đối nghịch giữa tăng trưởng và khả năng tự vệ). Do đó, xác định được những “regulators” chủ chốt trong sự truyền tín hiệu đối với cả hai nội dung: “phát triển” và “tín hiệu miễn dịch” đều quan trọng và cần thiết, cung cấp cho chúng ta những kiến thức cơ bản sao cho tối đa hóa năng suất có thể được. Kết quả nghiên cứu cho thấy: “G protein β subunit” của cây bắp điều tiết cả nội dung phát triển sinh mô ngọn (meristem) và nội dung “truyền tín hiệu miễn dịch”. Điều này gợi ra rằng: thao tác gen này sẽ cho chúng ta khả năng tối ưu cái gọi là “trade-off” giữa năng suất và tính kháng bệnh để cải tiến được năng suất cây trồng.
“Heterotrimeric G proteins” là những phân tử transducers vô cùng quan trọng của sự truyền tín hiệu ở phân tử receptor, có chức năng rõ ràng của thực vật với phân tử receptor CLAVATA để điều hành kích thước của sinh mô ngọn và có những receptors ghi nhận được pathogen xâm nhiễm vào cây trong hệ thống truyền tín hiệu đến gen gây hiệu ứng miễn dịch. Tuy nhiên, vì những thành phần chuyên biệt của phức “heterotrimeric” trong tương tác ký chủ và ký sinh theo kiểu “cross-talk” giữa phát triển và phòng vệ, cho nên các chức năng ấy phải được bảo tồn trong các loài thực vật, điều này chưa được ghi nhận và báo cáo khoa học. Người ta phải sử dụng hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9 để tiến hành “knock out” gen mã hóa “G protein β subunit” trong hệ gen cây bắp (gen Gβ). Người ta thấy rằng: các đột biến thu nhận được là đột biến gây chết (lethal), khác với kết quả xảy ra trên cây mô hình Arabidopsis, theo đó, các “homologous mutants” tỏ ra bình thường trong tăng trưởng và phát dục. Người ta quan sát đột biến gây chết (lethality) không phải do sự ngừng lại của phát triển đặc biệt, mà do “autoimmunity” (hiện tượng tự miễn dịch). Người ta sử dụng phương pháp sàng lọc di truyền nhờ đa dạng di truyền (genetic diversity) để ức chế kiểu hình “lethal Gβ” và thông qua đó xác nhận một alen Gβ của cây bắp có phản ứng rất yếu về “autoimmune”, rất mạnh về kiểu hình “phát triển”. Với công cụ như vậy, người ta thấy rằng: Gβ điều khiển kích thước sinh mô ngọn (meristem size) của cây bắp, hoạt động tương tác gen không alen (epistasis) với gen mã hóa “G protein α subunit” [gen Gα], như vậy, gen Gβ và Gα có chức năng như phức hợp trong tiến trình truyền tín hiệu (signaling complex). Hơn nữa, kết quả nghiên cứu theo kiểu “genetic association” cho thấy biến thiên tự nhiên của gen Gβ ảnh hưởng đáng kể đến tính trạng số hạt trên cùi bắp, tính trạng nông học vô cùng quan trọng trong chọn giống bắp cao sản. Vai trò của gen Gβ trong miễn dịch và trong phát triển của loài cây trồng mễ cốc đã được khẳng định. Chức năng của gen trong sự kiện “cross-talk” (xung đột) như vậy trong truyền tín hiệu cũng được làm rõ. Như vậy, cải biên gen Gβ là khả năng tối ưu hóa bản chất “trade-off” giữa “tăng trưởng” và “tự vệ” trong khi truyền tín hiệu nhằm cải tiến giống bắp năng suất cao.
Xem thêm tại: https://www.pnas.org/content/117/3/1799
Hình 4: CRISPR/Cas9 knockouts gen ZmGB1 dẫn đến kiểu hình “autoimmune”. (A) CRISPR/Cas9 chỉnh sửa gen ZmGB1 tạo ra các alen khác nhau trên cơ sở chuyển dịch khung (frameshift). Hộp trắng biểu thị đoạn phân tử 5′ và 3′ UTRs, hộp đen là exons, đường thẳng đen là introns. Vị trí của phân tử “guide RNAs” là mũi tên màu đỏ. (B) Đốt biến Zmgb1CR là alen gây chết (lethal) ở giai đoạn cây non. Hình chụp vào lúc 5, 10, và 12 ngày sau khi gieo hạt trong đất. (Upper) WT. (Hình dưới) Zmgb1CR mutants. (Scale bar: 1 cm.) (C và D) Trypan blue (C) và nhuộm phẩm DAB (D) của cây WT và cây đột biến Zmgb1CR cho thấy màu nhuộm nhiều hơn ở cây đột biến. (E) Sự thể hiện gen PR1 và PR5 được điều tiết theo kiểu up đối với dòng đột biến Zmgb1CR , cả cây 5 ngày tuổi và cây 10 ngày tuổi đột biến Zmgb1CR tích tụ đáng kể hàm lượng salicylic acid (SA) (F). Đối với E và F, P = 0.0001, Student’s t test; n = 3. (G) YFP-SBP-ZmGB1 định vị ở màng của sinh mô đỉnh chồi thân. (Hình trên) tế bào lá bắp thể hiện YFP-SBP-ZmGB1 (xanh lục), ăn phẩm nhuộm FM4-64 (đỏ), cả hai thấy được rõ ràng như một đường thẳng rất mảnh khảnh và được chồng lên nhau (vàng) chung quan tế bào. (Hình giữa) Kết quả phân tích plasmolysis, YFP-SBP-ZmGB1 (mũi tên) duy trì màu với FM4-64. (Thấp hơn) YFP-SBP-ZmGB1 thể hiện ra thông qua SAM và sinh mô đỉnh hoa cái, hoa đực của cây bắp. (Scale bars: 50 μm.)
