Trình tự gen của 300 giống có thể góp phần tạo ra khoai tây giàu dinh dưỡng, sạch bệnh và chống chịu thời tiết bất thuận

 Trình tự gen của 300 giống có thể góp phần tạo ra khoai tây giàu dinh dưỡng, sạch bệnh và chống chịu thời tiết bất thuận

Khi biến đổi khí hậu tiếp tục đặt ra những thách thức nghiêm trọng nhằm đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm bền vững trên toàn thế giới, các nhà khoa học từ Đại học McGill đang tìm cách cải thiện khả năng phục hồi và chất lượng dinh dưỡng của khoai tây. Giáo sư Martina Strömvik và nhóm của bà đã tạo ra một siêu khoai tây pangenome để xác định các đặc điểm di truyền có thể giúp tạo ra siêu khoai tây kế tiếp theo.

 

Nghiên cứu của họ được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Proceedings of the National Academy of Sciences).

 

Giáo sư Strömvik, người cộng tác với các nhà nghiên cứu trên khắp Canada, Hoa Kỳ và Peru, cho biết: “Siêu khoai tây pangenome của chúng tôi làm sáng tỏ sự đa dạng di truyền của khoai tây và những loại đặc điểm di truyền nào có thể được nhân giống vào cây trồng hiện đại của chúng ta để làm cho nó tốt hơn”. Cô cho biết thêm: “Nó đại diện cho 60 loài và là bộ sưu tập dữ liệu trình tự bộ gen phong phú nhất về khoai tây và họ hàng của nó cho đến nay”.

 

Bộ gen là bộ hướng dẫn di truyền hoàn chỉnh của sinh vật được gọi là trình tự DNA, trong khi bộ gen nhằm mục đích nắm bắt sự đa dạng di truyền hoàn chỉnh trong một loài và siêu bộ gen cũng bao gồm nhiều loài.

 

Tưởng tượng một củ khoai tây sạch bệnh và chịu hạn hoặc chịu sương giá

 

Khoai tây là nguồn thực phẩm chủ yếu cho nhiều người trên thế giới và nó là một trong những cây lương thực quan trọng nhất trên toàn cầu, sau lúa gạo và lúa mì xét về mặt tiêu dùng của con người. Giáo sư Strömvik cho biết: “Các loài khoai tây hoang dã có thể cho biết rất nhiều về những đặc điểm di truyền quan trọng trong việc thích ứng với biến đổi khí hậu và thời tiết khắc nghiệt, nâng cao chất lượng dinh dưỡng và cải thiện an ninh lương thực”.

 

Để xây dựng bộ gen khoai tây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính để thu thập dữ liệu từ các ngân hàng dữ liệu công cộng, bao gồm các ngân hàng gen ở Canada, Hoa Kỳ và Peru.

 

Theo các nhà nghiên cứu, pangenome có thể được sử dụng để trả lời nhiều câu hỏi về sự tiến hóa của loại cây trồng quan trọng này đã được người dân bản địa thuần hóa ở vùng núi phía nam Peru gần 10.000 năm trước. Nó cũng có thể được sử dụng để giúp xác định các gen cụ thể nhằm tạo ra siêu khoai tây bằng cách sử dụng công nghệ nhân giống truyền thống hoặc chỉnh sửa gen.

 

Giáo sư Strömvik cho biết: “Các nhà khoa học hy vọng sẽ phát triển được thứ gì đó có thể chống lại nhiều dạng bệnh tật khác nhau và chịu đựng tốt hơn thời tiết khắc nghiệt như nhiều mưa, sương giá hoặc hạn hán

Hành trình tìm kiếm giống siêu khoai tây

Hành trình tìm kiếm giống siêu khoai tây

Khi biến đổi khí hậu tiếp tục đặt ra những thách thức nghiêm trọng trong việc đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm bền vững trên toàn thế giới, các nhà khoa học từ Đại học McGill tìm cách cải thiện khả năng phục hồi và nâng cao chất lượng dinh dưỡng của khoai tây. Giáo sư Martina Strömvik và nhóm của bà đã tạo ra một siêu bộ gien khoai tây để xác định các đặc điểm di truyền có thể giúp tạo ra giống siêu khoai tây tiếp theo.

 

Giáo sư Strömvik, người cộng tác với các nhà nghiên cứu trên khắp Canada, Hoa Kỳ và Peru, cho biết: “Siêu bộ gien của chúng tôi làm sáng tỏ sự đa dạng di truyền của khoai tây và những loại đặc điểm di truyền nào có thể được nhân giống vào cây trồng này để làm cho nó tốt hơn”. Bà cho biết thêm: “Bộ gien này đại diện cho 60 loài và là bộ sưu tập dữ liệu trình tự bộ gien phong phú nhất về khoai tây và họ hàng của khoai tây cho đến nay”.

 

Bộ gien là bộ hướng dẫn di truyền hoàn chỉnh của sinh vật được gọi là trình tự ADN, trong khi bộ gien nhằm mục đích nắm bắt sự đa dạng di truyền hoàn chỉnh trong một loài thì siêu bộ gien bao gồm nhiều loài.

 

Khoai tây là nguồn thực phẩm chủ yếu cho nhiều người trên thế giới -- và nó là một trong những cây lương thực quan trọng nhất trên toàn cầu, sau lúa gạo và lúa mì xét về mặt tiêu dùng của con người. Giáo sư Strömvik cho biết: “Các loài khoai tây hoang dã có thể giúp chúng ta rất nhiều về những đặc điểm di truyền quan trọng trong việc thích ứng với biến đổi khí hậu và thời tiết khắc nghiệt, nâng cao chất lượng dinh dưỡng và cải thiện an ninh lương thực”.

 

Để xây dựng bộ gien khoai tây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính để thu thập dữ liệu từ các ngân hàng dữ liệu công cộng, bao gồm các ngân hàng gien ở Canada, Hoa Kỳ và Peru.

 

Theo các nhà nghiên cứu, bộ gien có thể được sử dụng để trả lời nhiều câu hỏi về sự tiến hóa của loại cây trồng quan trọng này đã được người dân bản địa thuần hóa ở vùng núi phía nam Peru gần 10.000 năm trước. Nó cũng có thể được sử dụng để giúp xác định các gien cụ thể nhằm tạo ra siêu khoai tây bằng cách sử dụng công nghệ nhân giống truyền thống hoặc chỉnh sửa gien.

 

Giáo sư Strömvik cho biết: “Các nhà khoa học hy vọng sẽ phát triển được giống khoai tây có thể chống lại nhiều dạng bệnh khác nhau và chịu đựng tốt hơn thời tiết khắc nghiệt như nhiều mưa, sương giá hoặc hạn hán”.

Minh chứng và chọn gen tham chiếu trong cây khoai lang kháng bệnh virus

 Minh chứng và chọn gen tham chiếu trong cây khoai lang kháng bệnh virus

Nguồn: Guangyan Li, Xiaohui Sun, Xiaoping Zhu, Bin Wu, Hao Hong, Zhimei Xin, Xiangqi Xin, Jiejun Peng, Shanshan Jiang. 2023. Selection and Validation of Reference Genes in Virus-Infected Sweet Potato Plants. Genes (Basel); 2023 Jul 19; 14(7):1477. doi: 10.3390/genes14071477.

 

Kỹ thuật quantitative real-time PCR (qRT-PCR) trong cây khoai lang yêu cầu phải chuẩn hóa tư liệu chính xác; tuy nhiên, chưa có đủ số gen tham chiếu một cách hợp lý để phân tích biểu hiện gen. Người ta xem xét biến thiên di truyền trong biểu hiện của tám gen tham chiếu ứng cử viên (candidate reference genes) ở lá khoai lang và mô rễ (tám mẫu có virus xâm nhiễm và tám mẫu không có virus xâm nhiễm). Kết hợp phân tích đồng thời với phần mềm geNorm, NormFinder, và Best-Keeper cho thấy sự xâm nhiễm của virus khác nhau và các mô nguồn gốc ảnh hưởng đến mức độ biểu hiện các gen này. Kết quả đánh giá của ba phần mềm nói trên, “adenosine diphosphate-ribosylation factor” dều thích hợp cho lá khoai lang nhiễm virus và không nhiễm virus. Các protein Cyclophilin và ubiquitin thích hợp cho lá khoai lang không nhiễm virus. Phospholipase D1 alpha thích hợp cho lá khoai lang nhiễm virus. Actin thích hợp cho rễ khoai lang không nhiễm virus. Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase thích hợp cho rễ khoai lang nhiễm virus. Kết quả nghiên cứu cung cấp nhiều gen tham chiếu tương ứng cho thâm cứu mẫu lá và rễ khoai lang có virus xâm nhiễm.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37510381/

 

Hình: Biểu diễn đồ họa của cơ sở dữ liệu “các gen tham chiếu ứng cử viên”. (A) Biểu hiện của “candidate reference genes” trong lá khoai lang bệnh. (B) Biểu hiện của “candidate reference genes” tại rễ bệnh. Mô phỏng toán “univariate analysis of variance” chỉ ra mức độ ý nghĩa thống kê với chữ đính kèm. Tám “candidate reference genes” là adenosine diphosphate-ribosylation factor (ARF), glyceraldehyde−3−phosphate dehydrogenase (GAP), phospholipase D1 alpha (PLD), Ubiquitin (UBI), actin (ACT), 18S ribosomal RNA (18S), alpha tubulin (ATUB), và cyclophilin (CYP).

Phân tích di truyền các gen TCS của hệ gen cây khoai lang (Ipomoea batatas L.)

 Phân tích di truyền các gen TCS của hệ gen cây khoai lang (Ipomoea batatas L.)

Nguồn: Ruxue Huo, Yanshu Zhao, Tianxu Liu, Meng Xu, Xiaohua Wang, Ping Xu, Shengjie Dai, Xiaoyu Cui, Yonghua Han, Zhenning Liu, Zongyun Li. 2023. Genome-wide identification and expression analysis of two-component system genes in sweet potato ( Ipomoea batatas L.). Front Plant Sci.; 2023 Jan 12; 13: 1091620. doi: 10.3389/fpls.2022.1091620. 

 

Hình: Quan hệ tương đồng (synteny) về di truyền các gen TGS của Ipomoea batatas. Đường nối giữa những nhiễm sắc thể biểu thị cặp gen tự tái bản (duplicated gene pairs). Thanh bars định vị tại nhiễm sắc thể biểu thị chiều dài trên nhiễm sắc thể (cM). Thành viên họ gen HK(L)s, HP và RR được mô phỏng bằng các font màu khác nhau.

 

Hệ thống hai thành phần TCS (two-component system), bao gồm histidine kinases (HKs), histidine phosphotransfer proteins (HPs), và response regulators (RRs), có vai trò quan trọng trong điều hòa tăng trưởng và phát triển,  phản ứng với nhiều kích động khác nhau của ngoại cảnh. Các gen TCS đã và đang được người ta phân lập khá nổi tiếng trong nhiều loài cây khác nhau, trong khi đó, nghiên cứu về “genome-wide” và phân tích TCS của cây khoai lang vẫn chưa có báo cáo nào. Vì vậy, các tác giả trong nghiên cứu này tiến hành phân lập 90 thành viên của TCS bao gồm 20 HK(L)s, 11 HPs, và 59 RRs trong hệ gen cây khoai lang Ipomoea batatas. Người ta tiến hành phân tích sâu hơn kiến trúc gen của chúng, những domains bảo thủ, và tương quan di truyền huyết thống, tất cả được phân tích khá chi tiết. bên cạnh đó, các phổ biểu hiện gen tại nhiều cơ quan khác nhau cũng được phân tích, và những phản ứng với stress bởi môi trường bất lợi gây ra cũng được nghiên cứu. Kết quả cho thấy 90 gen TCS này được lập bản đồ di truyền trên 15 nhiễm sắc thể  với  sự phân bố không đồng đều đáng chú ý, sự lan rộng của các gen TCS trong khoai lang góp phần vào tự tái bản có tính chất phân đoạn và song song (segmental and tandem duplications). Đạc điểm chủ yếu của các gen TCS này có những phổ biểu hiện rất khác nhau trên những cơ quan khác nhau, đặc biệt là trong 3 loại hình rễ khoai lang (rễ trên thân, rễ xơ, rễ củ khoai). Hơn nữa, hầu hết các gen TCS được kích hoạt hoặc bị ức chế bởi nghiệm thức stress phi sinh học (khô hạn, mặn, lạnh, nóng) và bởi những phytohormone ngoại sinh như abscisic acid (ABA). Thêm vào đó, hệ thống lai “yeast-two hybrid system” được người ta sử dụng để thể hiện tương tác HK-HP-RR protein-protein. IbHP1, IbHP2, IbHP4, và IbHP5 có thể tương tác với 3 HKs (IbHK1a, IbHK1b, và IbHK5), và cũng tương tác với với loại hình chủ lực B RRs (IbRR20-IbRR28), trong khi đó, không có ái lực tương tác nào diễn ra đối với IbHP3. Kết quả phân tích có thể cung cấp luận điểm mới về đặc điểm của các gen TCS, phát triển xa hơn những nghiên cứu nói về chức năng gen trong cây khoai lang.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36714734/

MiRNA160 liên quan đến hệ thống phòng thủ cục bộ của khoai tây và hệ thống kích kháng của mô ở xa vùng xâm nhiễm đối với Phytophthora infestans

 MiRNA160 liên quan đến hệ thống phòng thủ cục bộ của khoai tây và hệ thống kích kháng của mô ở xa vùng xâm nhiễm đối với Phytophthora infestans

Nguồn: Bhavani Natarajan, Harpreet S Kalsi, Prajakta Godbole, Nilam Malankar, Aarthy Thiagarayaselvam, Sundaresha Siddappa, Hirekodathakallu V Thulasiram, Swarup K Chakrabarti, Anjan K Banerjee. 2023. MiRNA160 is associated with local defense and systemic acquired resistance against Phytophthora infestans infection in potato. J Exp Bot.; 2018 Apr 9;69(8): 2023-2036. doi: 10.1093/jxb/ery025.

 

Chiến đấu với sự xâm nhiễm gây bệnh của pathogen, thực vật thực hiện hệ thống phòng thủ cục bộ tại nơi bị xâm nhiễm và và tạo ra hệ thống kích kháng tại những mô cách xa đó (systemic acquired resistance: SAR). Phân tử microRNAs có vai trò quan trọng trong phòng thủ tại chổ (local defense), nhưng mối liên quan của chúng với SAR (kích kháng) chưa được biết nhiều. Hơn nữa, chưa có nghiên cứu nào nói về tương tác giữa khoai tây và Phytophthora infestans. Vai trò của miR160 tại chổ xâm nhiễm và phản ứng SAR đối với nấm P. infestans xâm nhiễm vào cây khoai tây. Kết quả phân tích biểu hiện cho thấy mức độ kích hoạt của phân tử miR160 trong cả hai vế local và systemic ở lá khoai tây của cây nguyên thủy bị nhiễm bệnh (infected wild-type). Sự biểu hiện mạnh mẽ gen miR160  và kết quả knockdown đều cho kết quả làm tăng tính nhiễm bệnh, như vậy các mức độ miR160 tương đương với cây wild-type có thể cần cho gắn kết các phòng thủ tại chổ. Bên cạnh đó, tiến hành knockdown miR160 cho kết quả thất bại để kích hoạt được SAR. Kết quả xét nghiệm grafting cho thấy miR160 đều cần thiết cho cả local và systemic trên là để kích thích SAR. Các tín hiệu có liên quan đến SAR cũng như các gen liên quan đã bị điều tiết sai trong dòng miR160 knockdown. Kết quả phân tích biểu hiện của tự vệ và gen trong chu trình auxin cũng như điều tiết trực tiế[ của StGH3.6, một mediator của lộ trìn salicylic acid-auxin, bởi miR160 target StARF10 cho thấy có miR160 trong tương tác đối kháng giữa tự vệ nhờ salicylic acid và lộ trình tăng trưởng nhờ auxin. Kết quả nghiên cứu này chứng minh rằng miR160 có vai trò cực kỳ quan trọng trong tự vệ tại chổ bị xâm nhiễm (local) và phản ứng kích kháng SAR trong suốt tiến trình tương tác giữa cây khoai tây với nấm P. infestans.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29390146/

Xác định trong hệ gen rộng đối với họ gen DUF668 của khoai lang [Ipomoea batatas (L.) Lam] liên quan đến tính chống chịu khô hạn và mặn

 Xác định trong hệ gen rộng đối với họ gen DUF668 của khoai lang [Ipomoea batatas (L.) Lam] liên quan đến tính chống chịu khô hạn và mặn

Nguồn: Enliang Liu, Zhiqiang Li, Zhengqian Luo, Linli Xu, Ping Jin, Shun Ji, Guohui Zhou, Zhenyang Wang, Zhilin Zhou, Hua Zhang. 2023. Genome-Wide Identification of DUF668 Gene Family and Expression Analysis under Drought and Salt Stresses in Sweet Potato [Ipomoea batatas (L.) Lam]. Genes (Basel); 2023 Jan 14; 14(1):217. doi: 10.3390/genes14010217.

 

Domain không rõ chức năng 668 (DUF668) là một họ gen có vai trò quan trọng trong phản ứng với stress  mang tính cưỡng chế trong thực vật (adversity coercion). Tuy nhiên, chức năng của họ gen này DUF668 chưa được hiểu hết trong cây khoai lang. Người ta áp dụng tin sinh học (bioinformatics) để phân tích đặc điểm lý hóa, định lượng số gen, sự tiến hóa, kiến trúc, và các nguyên tố “promoter cis-acting” của họ gen IbDUF668, thực hiện RNA-seq và qRT-PCR để tìm kiếm và giải thích sự biểu hiện gen, sự điều tiết gen trong nghiệm thức xử lý hormone và stress phi sinh học. Tổng số 14 IbDUF668 proteins được người ta xác định trong khoai lang, chúng phân bố trong 9 nhiễm sắc thể. Theo phân tích di truyền huyết thống, các protein IbDUF668 có thể được chia ra thành hai subfamilies. Phổ biểu hiện transcriptome cho thấy có nhiều gen thuộc họ DUF668 trong cây khoai lang biểu hiện tính chuyên biệt (specificity) và biểu hiện tính đặc trưng riêng có (differential expression) trong điều kiện bị xử lý lạnh, nhóng, khô hạn, mặn và hormones (ABA, GA3 và IAA). Bốn gen (IbDUF668-6, 7, 11 và 13) của cây khoai lang điều tiết biểu hiện gen theo kiểu “up” qua kết quả qRT-PCR trong nghiệm thức xử lý ABA, khô hạn và mặn. Họ gen DUF668 hiện diện trong cây khi phản ứng với khô hạn, mặn, kết quả này cung cấp thông tin căn bản cơ chế của gen DUF668 trong cây.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36672958/

 

Hình: Vị trí trên nhiễm sắc thể của các gen DUF668 trong cây khoai lang Ipomoea batatas (L.) Lam.

G Protein “StRab5b” điều tiết tích cực tính kháng bệnh Phytophthora infestans của cây khoai tây

 G Protein “StRab5b” điều tiết tích cực tính kháng bệnh Phytophthora infestans của cây khoai tây

Nguồn; Zaimin Tian, Zhiwei Zhang, Liru Kang, Min Li, Jian Zhang, Yan Feng, Jiang Yin, Xuechen Gong, Jun Zhao. 2023. Small G Protein StRab5b positively regulates potato resistance to Phytophthora infestans. Front Plant Sci.; 2023 Jan 9; 13:1065627. doi: 10.3389/fpls.2022.1065627.

 

Rabproteins là thành viên lớn nhất của họ protein “small G protein” phân bố rộng khắp trong sinh vật eukaryotes. Nó có 8 subfamilies, đảm nhận nhiệm vụ điều tiết vận chuyển dinh dưỡng, tăng trưởng và phát triển cây, phản ứng với stress sinh học, phi sinh học. Theo nghiên cứu này, “small G protein” là kết quả mã hóa của gen StRab5b. Gen này được dòng hóa thành công trong cây khoai tây, người ta cung cấp thông tin sinh học của nó bao gồm phổ biểu hiện gen và mức độ biểu hiện, mức độ làm câm gen, xem xét trong trường hợp khoai tây thể hiện tính kháng bệnh do nấm Phytophthora infestans xâm nhiễm, thông qua kỹ thuật PCR, qPCR và VIGS (virus-induced gene silencing). Kết quả cho thấy amino acid của StRab5b có tính đồng dạng cao nhất trong NbRab5b của thuốc lá (N. benthamiana)  và tính đồng dạng thấp nhất trong StRab của cây khoai tây. Biểu hiện gen StRab5b thay đổi khác biệt nhau tùy theo mô khoai tây và tùy theo giống khoai tây, Gen này bị kích hoạch khi nấm P. infestans xâm nhiễm. Biểu hiện ectopic của cây chuyển nạp gen StRab5b trong N. benthamiana làm tăng cường tính kháng với nấm P. infestans, trong khi đó, làm câm gen StRab5b làm thuận tiện cho xâm nhiễm của nấm trong khoai tây và và gen tương đồng của nó làm thuận tiện cho xâm nhiễm của nấm trong thuốc lá. Bên cạnh đó, sự biểu hiện ổn định của gen StRab5b trong khoai tây làm tăng khả năng phản ứng stress có tính chất “redox”, thể hiện qua sự tích lũy của H2O2 ở lá khoai tây nhiễm bệnh và có sự gia tăng tiếp theo trong hoạt động của các enzymes liên quan đến biểu hiện ROS (gốc ô xi tự do), cho nên, nó tiết giảm sự phát triển của nấm P. infestans, làm giảm cực trọng vết bệnh trên lá khoai tây. In addition, the LOX gene transcripts and JA level were upregulated rapidly after inoculation with P. infestans. Kết qủa ghi nhận StRab5b điều tiết tích cực tính kháng bệnh khoai tây “late blight” (PLB) thông qua chu trình truyền tín hiệu JA (jasmonic acid).

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36699835/