Sử dụng máy bay không người lái lấy dữ liệu đa phổ trong chọn tạo giống khoai tây

 Sử dụng máy bay không người lái lấy dữ liệu đa phổ trong chọn tạo giống khoai tây

Nguồn: Alessio Maggiorelli, Nadia Baig, Vanessa Prigge, Julien Bruckmüller, Benjamin Stich. 2024. Using drone‑retrieved multispectral data for phenomic selection in potato breeding. Theoretical and Applied Genetics; March 2024; vol. 137; article 70

 

Những phương pháp tiếp cận với chọn giống có tính chất dự đoán, như sàng lọc kiểu hình và kiểu gen, có khả năng làm tăng hiệu quả chọn lọc giống khoai tây trong chương trình cải tiến giống mà nó được định tính bởi số lượng rất lượng các dòng giống (entries) vào giai đoạn sớm sinh trưởng cũng như tính khả thi của giống có rất ít củ được cải tiến.

 

Mục tiêu nghiên cứu là (i) khai thác khả năng của chỉ số dự đoán kiểu hình (phenomic prediction) trên cơ sở máy bau không người lái ấy số liệu đa phổ trong chọn giống khoai tây thông qua trắc nghiệm nhiều kích bản dự báo khác nhau trên một quần thể giống khoai tây đa dạng, từ bội thể, từ tất cả những phân khúc thị trường và tất cả những đặc điểm nông học, (ii) so sánh  hiệu suất dự đoán kiểu hình và kiểu gen và (iii) đánh giá khả năng dự đoán  của những matrices tương quan thông qua dữ liệu của “SNP array” dung lượng lớn và dữ liệu phản xạ đa phổ. Khả năng dự báo của những kịch bản kiểu hình biến thiện rất lớn trong khoảng − 0.15 và 0.88; tùy thuộc mạnh mẽ vào ngoại cảnh, tính trạng dự đoán, và kịch bản dự đoán được xem xét. Người ta quan sát những khả năng cao trong dự đoán với dự đoán kiểu hình đối với năng suất (0.45), thời gia thu hoạch (0.88), phát triển lá (0.73), và nẩy mầm (0.73), trong tất cả tính trạng khác th được khả năng cao hơn trong dự đoán với so sánh dự đoán giữa kiểu gen và kiểu hình. Khi có một matrix tương tác phối trộn với nhau để dự đoán, thì khả năng cao trong dự đoán được thấy là 20 trong 22 tính trạng, biểu thị số dữ liệu kiểu hình và kiểu gen còn chứa thông tin bổ sung nữa. Người ta thấy ứng dụng chính của sàng lọc kiểu hình trong chương trình cải tiến giống khoai tây cho phép sử dụng nguyên tắc “predictive breeding” cho thí nghiệm trồng cây con trong chậu hoặc giai đoạn cây có chồi đơn, lúc đó, kiểu gen chưa được khuyến cáo do chi phí cao.

 

Xem file:///C:/Users/Admin/Downloads/s00122-024-04567-3.pdf

Tập tính ăn của bọ cánh cứng (sùng khoai lang) Cylas formicarius (Fabricius) (Coleoptera: Brentidae) trên 3 giống khoai lang Ipomoea batatas L. tại vùng Tarlac, Philippines

Tập tính ăn của bọ cánh cứng (sùng khoai lang) Cylas formicarius (Fabricius) (Coleoptera: Brentidae) trên 3 giống khoai lang Ipomoea batatas L. tại vùng Tarlac, Philippines

Nguồn: Jerah Mystica B. Novenario and Flor A. Ceballo-Alcantara. 2024. Feeding Behavior of Sweet Potato Weevil, Cylas formicarius (Fabricius) (Coleoptera: Brentidae) on Three Sweet Potato, Ipomoea batatas L. Cultivars Grown in Tarlac, Philippines. PHILIPP AGRIC SCIENTIST Vol. 107 No. 1, 7-13 March 2024

 

Khoai lang được  trồng nhiều ở các nước nhiệt đới để ăn củ, củ khoai lang dần dần trở thành nguồn lương thực thiết yếu của cư dân. Người ta sử dụng nhân giống khoai lang vô tính bằng dây thân khoai lang, khi thu hoạch hoặc tạo ra vườn ươm theo quy chuẩn để cắt hom thân làm giống cho vụ sau. Việc sử dụng dây thân thường xuyên như vậy có thể gây ra sự xâm nhiễm của sùng (weevil infestation). Khoai lang bị nhiễm sùng là hiện tượng rất phổ biến. Quan trọng hơn là bọ cánh cứng hại củ khoai, tên khoa học là Cylas formicarius, xem củ khoai là đối tượng chính để tấn công, làm củ bị đắng và có mùi, gây thiệt hại kinh tế. Nông dân trồng khoai lang ở vùng Tarlac, Philippines cho rằng chỉ có một giống khoai lang bị C. formicarius tấn công, tuy vậy, người ta thấy rằng trong thí nghiệm này tập tính ăn và hành vi kiếm ăn của sùng khoai lang không bị ảnh hưởng bởi giống khoai lang, sự khác biệt không có ý nghĩa thống kê về số liệu trung bình mẫu của khoai bị sùng đực và sùng cái tấn công cũng như mức độ thiệt hại.

 

Xem https://www.researchgate.net/profile/

Chỉnh sửa gen NPR3 giúp khoai tây kháng được vi khuẩn Candidatus Liberibacter spp.

 Chỉnh sửa gen NPR3 giúp khoai tây kháng được vi khuẩn Candidatus Liberibacter spp.

Nguồn: Manikandan Ramasamy, Mohan Singh Rajkumar, Renesh Bedre, Sonia Irigoyen, Katherine Berg-Falloure, Michael V. Kolomiets, Kranthi K. Mandadi. 2024. Genome editing of NPR3 confers potato resistance to Candidatus Liberibacter spp. Plant Biotechnology Journal; First published: 22 May 2024. https://doi.org/10.1111/pbi.14378

 

Hình: Rầy khoai tây Bactericera cockerelli Šulc., là vector truyền vi khuẩn gây bệnh khoai tây.

 

Candidatus Liberibacter solanacearum (CLso) là một vi khuẩn gây hại khoai tây (Solanum tuberosum) ức chế mạch phloem, gắn liền với bệnh “potato zebra chip” (chíp khoai tây có dạng zebra). Vector truyền bệnh này là rầy Bactericera cockerelli Šulc., làm thiệt hại kinh tế quy mô toàn cầu (Mora et al., 2021). Phát triển giống kháng theo phương pháp kinh điển không thành công (Mora et al., 2022), do vậy, người ta cần phải ứng dụng công nghệ di truyền hiện đại hoặc chỉnh sửa gen.

 

Trong tực vật, những protein có tính chất non-expressor of pathogenesis-related (NPR) hoạt động như những thụ thể của hormone tự vệ, như salicylic acid (SA). Trong khi NPR1 kích hoạt miễn dịch theo SA có trong cây Arabidopsis (Arabidopsis thaliana), thi chất đồng phân của nó NPR3, điều tiết một cách thụ động hệ thống bảo vệ SA. Biểu hiện NPR1 của Arabidopsisi trong cây cam ngọt (Citrus sinensis) và loài cây trồng khác làm tăng cường tính chống chịu theo SA đối với nhiều pathogens (Peng et al., 2021). Trái lại, sự điều tiết kiểu “down” của NPR3 trong cây Arabidopsis (Ding et al., 2018) và cây cacao (Theobroma cacao) (Fister et al., 2018) làm tăng cường tính kháng bệnh do vi khuẩn và nấm, theo thứ tự. Trước đây người ta thấy rằng sự điều tiết có tính chất “transiently down” của StNPR3 trong rễ tóc cây khoai tây làm giảm CLso titer (Irigoyen et al., 2020). Ở đây, kết quả chỉnh sửa gen StNPR3 liên quan đến tính kháng của khoai tây với vi khuẩn CLso thông qua kích hoạt được hệ phòng vệ nhờ SA và sự dị hóa JA.

 

Để khai thác được chức năng gen StNPR3 trong khoai tây, người ta xác định một gen tương đồng NPR3 (NCBI# XM_006366563.2, Table S1) và thiết kế phân tử “guide RNA” nhắm đích đến ở vị trí exon đầu tiên của khung đọc mã (ORF) thuộc gen StNPR3. Chuyển nạp gián tiếp th6ong qua vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens vào giống khoai tây Atlantic, để tạo nên nhiều dòng chỉnh sửa gen StNPR3. Trên cơ sở “amplicon sequencing”, có 2 dòng khoai tây được chọn phục ụ phân tích sâu. Dòng số 1 là đồng hợp tử “mono-allelic” có chiều dài mất đoạn là 8-bp trong 4 alen. Dòng số 2 là dị hợp tử “bi-allelic” có chiều dài mất đoạn là 6/7-bp trong 2 của 4 alen. Khung ORF của gen StNPR3 được dự đoán là sản sinh ra protein “truncated NPR3” với BTB domain và thiếu phân tử Ankyrin-repeat, cũng như SA-binding core (Ding et al., 2018; Wang et al., 2020b). Dòng chỉnh sửa gen StNPR3 biểu hiện tăng trưởng và phát triển không bình thường so với đối chứng vector (VC, biểu hiện một mình Cas9). Tóm lại, người ta đề nghị một mô phỏng hoạt động trong cây khoai tây, knockdown hoặc lấy ra hoàn toàn NPR3, kích hoạt tín hiệu SA và khoai tây được vi khuẩn CLso. NPR3 bị lấy ra còn kích hoạt sự dị hóa JA-Ile và tránh được sự kích hoạt quá mức của hệ thống bảo vệ JA, đồng thời có thể dẫn đến tế bào chết.

 

Xem https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14378

 

Hình: Chỉnh sửa gen NPR3 nhờ hệ thống CRISPR-Cas9 giúp khoai tây kháng bệnh “zebra chip”.

Họ gen Pectate Lyase trong cây khoai tây và stress mặn

 Họ gen Pectate Lyase trong cây khoai tây và stress mặn

Nguồn: Zhiqi Wang, Tao Liu, Wenbo Wu, Wenting Shi, Jian Shi, Fengyan Mo, Chong Du, Chaonan Wang, Zhongmin Yang. 2024. Genome-Wide Identification of the Pectate Lyase Gene Family in Potato and Expression Analysis under Salt Stress. Plants (Basel); 2024 May 11; 13(10):1322. doi: 10.3390/plants13101322.

 

Pectin có cấu trúc polysaccharide, là một thành phần chính của thành tế bào. Pectate lyases là hệ men có chức năng phân cắt pectin bị demethyl hóa nhờ cắt cầu nối α-1,4-glycosidic, enzyme của nhóm này có vai trò quan trọng giúp cây tăng trưởng và phát triển. Hiện nay, người ta biết được rất ít các thành viên của họ gen PL (Pectate Lyase) và  sự tham gia của chúng khi khoai tây bị stress mặn. Người ta tiến hành nghiên cứu nhờ tin sinh học để xác định các thành viên của họ gen PL  và phân tích bản chất của chuỗi trình tự DNA cũng như chuỗi amino acid. Kết quả cho thấy có 27 thành viên của họ gen pectate lyase được phân lập thành công trong cây khoai tây. Phân tích cây gia hệ cho thấy những gen này được phân chia thành 8 nhóm. Phân tích các promoters cho thấyvùng promoter của các thành viên có chứa một số hormone đáng kể và các yếu tố phản ứng với stress. Nghiên cứu sâu hơn, người ta thấy rằng nhiều thành viên phản ứng tích cực với stress mặn đơn độc hoặc mặn có kết hợp với stress khác. Riêng gen StPL18 biểu hiện nhất quán trong cả hai loại hình mặn như vậy, định vị của nó dưới quy mô tế bào được phân lập thành công. Kết quả cho thấy StPL18 định vị trong màng võng nội chất (endoplasmic reticulum). Kết quả này sẽ xây dựng nên cơ sở để phân tích chức năng của họ gen pectate lyase trong cây khoai tây và biểu hiện gen đích khi cây bị stress mặn.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38794393/

Phân tích ở quy mô genome-wide và biểu hiện gen CYP450 của cây khoai lang (Ipomoea batatas L.)

 Phân tích ở quy mô genome-wide và biểu hiện gen CYP450 của cây khoai lang (Ipomoea batatas L.)

Nguồn: Xiongjian Lin, Binquan Tang, Zhenqin Li, Lei Shi, Hongbo Zhu. 2024. Genome-wide identification and expression analyses of CYP450 genes in sweet potato (Ipomoea batatas L.).BMC Genomics; 2024 Jan 13; 25(1):58. doi: 10.1186/s12864-024-09965-x.

 

Cytochrome P450 monooxygenases (CYP450s) có vai trò cực kỳ quan trọng trong nhiều phản ứng sinh hóa xảy ra trong tổng hợp chất antioxidants, sắc tố, polymers cấu trúc và chất liên quan đến bảo vệ cây. Khoai lang (Ipomoea batatas L.) có tầm quan trọng về kinh tế, người ta tiến hành phân tíchgen CYP450 ví chúng có thể cung cấp những hiểu biết về sự tiến hóa và chức năng của gen trong họ gen này.

 

Theo kết quả nghiên cứu,  người ta xác định được và xếp hạng được 95 gen CYP450 trong genome khoai lang thành 5 families và 31 subfamilies. Kết quả dự đoán “subcellular localization” cho thấy CYP450s phân bố trong hệ thống có tính chất màng tế bào. Vùng promoter của các gen IbCYP450 có nhiều  cis-acting elements khác nhau liên quan đến hormones thực vật và phản ứng với stress. Hơn nữa, 10 motifs bảo thủ (Motif1-Motif10) đã được phân lập trong họ protein IbCYP450 với 5 gen thiếu introns và chỉ có một exon. Quan sát sự kiện lặp đoạn rất mạnh (duplication) trong họ gen CYP450, có thể đóng góp vào sự phát triển của nó. Phân tích “gene  duplication” cho thấy có sự hiện diện của 15 cặp gen có tính chất “tandem repeats” (lập lại theo tuần tự). Phân tích hệ thống tương tác gen cho thấy họ gen IbCYP450 có thể tương tác với nhiều gen đích và không có hiện tượng tương tác protein-proteintrong họ này. Phân tích tương tác giữa TFs (transcription factor) cho thấy họ IbCYP450 tương tác với nhiều yếu tố phiên mã. Hơn nữa, kết quả phân tích biểu hiện gen cho thấy gen CYP450 biểu hiện trong mô đặc thù của khoai lang, cũng như phản ứng của gen với stress phi sinh học và hormones thực vật. Đáng chú ý,  kết quả phân tích qRT‒PCR cho thấy trong các gen CYP450 đều phản ứng như hệ thống tự vệ với stress không phải sinh học của hệ gen cây khoai tây.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38218763/

 

Vị trí của các gen IbCYP trên nhiễm sắc thể. Đơn vị cơ sở cho thấy chiều dài trên nhiễm sắc thể khoảng 5.0 Mb. Mỗi nhiễm sắc thể, co số được đánh dấu bên trên có màu đỏ là biểu thị của cặp gen với cách lặp đoạn kiểu “tandem duplication”.

Phổ biểu hiện gen kháng bệnh “Late Blight” của giống khoai tây SD20

 Phổ biểu hiện gen kháng bệnh “Late Blight” của giống khoai tây SD20

Nguồn: Xiaohui Yang, Xiao Guo, Yu Yang, Pei Ye, Xingyao Xiong, Jun Liu, Daofeng Dong, Guangcun Li. 2024. Gene Profiling in Late Blight Resistance in Potato Genotype SD20. Int J Mol Sci.; 2018 Jun 11; 19(6):1728. doi: 10.3390/ijms19061728.

 

Bệnh héo rũ (late blight) do nấm Phytophthora infestans (Pi) là trở ngại quan trọng nhất đối với khoai tây (Solanum tuberosum) trên thế giới. Một chủng nòi có đợc tính siêu hạng, CN152, được người ta xác định tại tỉnh Sichuan, China, có thể khắc phục hầu như hoàn toàn các gen kháng bệnh héo rũ dược biết, kết quả là bệnh tác động trầm trọng tại Trung Quốc. Giống khoai tây SD20 được chứng minh là kháng được chủng nòi CN152; tuy nhiên, hệ thống điều tiết phân tử kháng bệnh héo rũ chứa được biết rõ; trong giống khoai tây SD20. Người ta tiến hành hoàn thiện một thí nghiệm theo thời điểm cụ thể để xem xét phổ biểu hiện gen kháng bệnh héo rủ khi gen kháng phản ứng, thông qua RNA-sequencing giống khoai tây SD20. Người ta xác định được 3354 gen DEGs, chủ yếu mã hóa các yếu tố phiên mã và protein kinases, đồng thời bao gồm 4 gen mã hóa NBS-LRR. Gen phản ứng vớ  bệnh héo rũ biểu hiện cảm ứng và ức chết theo thời điểm cụ thể (time-point-specific). Các lộ trình truyền tín hiệu của salicylic acid, jasmonic acid, và ethylene có trong tính kháng và bảo vệ cây chống lại nấm Pi của SD20. Phân tích Gene Ontology và KEGG chỉ ra rằng các gen DEGs này nhiều lên một cách có ý nghĩa  trong tiến trình biến dưỡng, hoạt tính của protein serine/threonine kinase, và sinh tổng hợp các chất biến dưỡng thứ cấp. Bốn mươi ba gen DEGs trong phản ứng miễn dịch, trong đó, 19 gen rất mạnh chức năng phản ứng siêu nhạy cảm (hypersensitive response), đóng vai trò quan trọng trong ti1nhkha1ng phổ rộng đối với nấm Pi. Xác minh thử nghiệm xác định sự biểu hiện được kích hoạt của các gen responsive trong lộ trình truyền tín hiệu kháng bệnh héo rũ, ví dụ như WRKY, ERF, MAPK, và họ gen NBS-LRR. Kết quả cung cấp thông tin đáng giá giúp người ta hiểu được cơ chế tính kháng bệnh héo rũ khoai tây.

 

See https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/29891775/

GBS (Genotyping-by-sequencing) vùng mục tiên mang gen và cải tiến phân tich GWAS hệ gen cây khoai tây tứ bội thể

 GBS (Genotyping-by-sequencing) vùng mục tiên mang gen và cải tiến phân tich GWAS hệ gen cây khoai tây tứ bội thể

Nguồn: Sanjeev Kumar Sharma, Karen McLean, Peter E. Hedley, Finlay Dale, Steve Daniels & Glenn J. Bryan. 2024. Genotyping-by-sequencing targets genic regions and improves resolution of genome-wide association studies in autotetraploid potato. Theoretical and Applied Genetics; July 9 2024; vol.137; article 180

 

Đánh giá kiểu gen de novo trong hệ gen cây khoai tây thông qua phương pháp  “methylation-sensitive GBS” giúp người ta tìm ra các chỉ thị  SNPs để xác định vùng mang gen đích và vùng có liên quan đến gen đích, hiển thị được hiệu quả nâng cao trong ước tính “LD decay rates” (mức độ phân hủy liên kết không cân bằng), kiến trúc quần thể, tìm thất được tính chất “GWAS associations” đối với bộ chỉ thị phân tử SNPs đa hình làm nền. Kết quả nghiên cứu còn ghi nhận kiến trúc di truyền bao gồm kết hợp tính trạng với chuỗi trình tự rất lớn được đánh dấu nhờ chỉ thị phân tử đối với 16 tính trạng quan trọng của khoai tây, các tính trạng này có khả năng lớn trong nghiên cứu di truyền khoai tây.

 

Nghiên cứu này triển khai các tiến bộ gần đây nhất về phương pháp đa bội thể nhằm hoàn thiện phân tích nhiều tính trạng phức tạp của giống khoai tây tứ bội. Nghiên cứu khai thác cơ sở chỉ thị “fixed SNP Infinium array” và nội dung làm giảm mức độ phức tạp hệ gen khoai tây ‘linh hoạt và cởi mở hơn’ trên cơ sở tiếp cận đánh giá kiểu gen bằng trình tự gen GBS (genotyping-by-sequencing) để hoàn thiện được phân tích GWAS đối với nhiều tính trạng quan trọng chính của cây khoai tây, bao gồm đánh giá kiến trúc quần thể và giá trị LD (linkage disequilibrium) trong quần thể được nghiên cứu. GBS SNPs tìm thấy ở đây được giới hạn rất lớn (~ 90%) đối với vùng có gen đích hoặc vùng có liên quan đến gen đích của genome khoai tây, minh chứng được  khả năng sử dụng hệ men phân cắt hạn chế PstI tại gốc nhạy cảm với methyl hóa (methylation-sensitive restriction enzyme) nhằm tạo ra thư viện DNA cần thiết. So sánh với phương pháp “Infinium array SNPs”, thì phương pháp “GBS SNPs” làm tăng sự hiệu quả trong dự đoán giá trị “LD decay” và phân biệt được các subgroups của quần thể nghiên cứu. GWAS được sử dụng có 30.363 chỉ thị SNPs xác định được 189 tổ hợp độc đáo QTL marker–trait associations (QTL-MTAs) bao phủ trên tất cả tính trạng nghiên cứu. Phần lớn QTL-MTAs có từ GBS SNPs làm rõ hơn hiệu quả của cơ sở đánh giá kiểu gen de novo với marker dầy đặc trong nội dung khắc phục sai lệch nào đó xảy ra và cung cấp sự hiệu đính chính xác hơn rất nhiều lần đối với nhiều mức độ khác nhau của mối liên quan trong những mô hình toán của GWAS. QTL đích được dự đoán nhờ GWAS  đối với các tính trạng quan trọng trước đây cũng như tại các địa điểm trong hệ gen mới được tìm thấy. Bởi nghiên cứu hiện nay khai thác “genome-wide genotyping” và tìm ra được “de novo SNP” đồng thời trên tập đoàn giống khoai tây tứ bội biểu hiện một đa dạng di truyền lớn hơn của giống khoai tây đanh canh tác, Các MTAs co chuỗi trình tự được đánh dấu hầu như có khả năng di chuyển cao hơn trong ngân hàng gen cây khoai tây, làm tăng khả năng sử dụng phục vụ chiến lược cải tiến giống “genomics-assisted breeding” đối với những tính trạng có mức độ phức tạp lớn.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-024-04651-8