Phân tích transcriptome, giải phẩu học và hình thái học trong cơ chế điều tiết tính trạng chiều cao cây sắn

 Phân tích transcriptome, giải phẩu học và hình thái học trong cơ chế điều tiết tính trạng chiều cao cây sắn

Nguồn; Zhaoqin Cai, Lixia Ruan, Wanling Wei, Wen He, Haixia Yang, Huixian Chen, Zhenhua Liang, Zhenling Huang, Xiu Lan, Xiufen Zhang, Ruolan Huang, Chunhui Zhao, Tianyuan Li, Longfei He, Hengrui Li. 2024. Morphological, anatomical, and transcriptomics analysis reveals the regulatory mechanisms of cassava plant height development. BMC Genomics; 2024 Jul 17; 25(1):699. doi: 10.1186/s12864-024-10599-2.

 

Sắn là một trong ba cây có củ chủ lực (khoai tây, khoai lang) và cây thứ sáu trong loài lương thực quan trọng của thế giới. Cải tiến năng suất vẫn là mục tiêu hàng đầu trong chọn tạo giống sắn. Chú ý, chiều cao cây tác động có ý nghĩa đến năng suất củ và phẩm chất củ; tuy nhiên, cơ chế phát triển chiều cao cây sắn vẫn chưa rõ ràng.

 

Theo nghiên cứu này, người ta tiến hành xem xét các cơ chế liên quan đến chiều cao cây sắn thông qua phân tích kiểu hình, giải phẩu học, và transcriptomic. Kết quả phân tích kiểu hình và giải phẩu thực vật cho cây sắn thân lùn so với cây sắn thấn cao, biểu thị sự giảm đáng kể chiều cao và tăng đáng kể diện tích mạch mô lóng thân (xylem area). Trong khi đó, phân tích sinh lý thực vật cho thấy hàm lượng lignin của sắn thân lùn cao hơn đáng kể so với giống sắn thân cao. Chú ý, kết quả phân tích transcriptome  ở các mô lóng thân  xác định được nhiều gen chức năng DEGs (differentially expressed genes) bao gồm kết quả tổng hợp thành tế bào và mở rộng thành tế bào, sự truyền tín hiệu hormone thực vật, sinh tổng hợp phenylpropanoid, sinh tổng hợp flavonoid giữa 2 giống sắn thân lùn và thân cao.

 

Kết quả cho thấy mô tế bào của lóng thân (internode tissue), sự phân bào, lignin hóa thành tế bào thứ cấp, biểu hiện gen có liên quan đến hormone; chúng đóng vai trò quan trọng quyết định chiều cao cây sắn. Cuối cùng, nghiên cứu đã cung cấp cho chúng ta cách nhìn mới về cơ chế hình thái học chiều cao cây sắn, xác định được gen ứng cử viên điều tiết chiều cao cây, chúng có thể đóng vai trò là nguồn vật liệu di truyền đáng giá cgo cải tiến giống sắn cao sản, lùn, trong tương lai.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39020298/

 

Hình: So sánh đạc điểm kiểu hình giữa cây sắn XX048 và NZ199. (A) Chiều cao cây của XX048 và NZ199. Scale bars = 0.1 m. (B) Chiều cao cây của XX048 và NZ199 qua sáu giai đoạn phát triển; màu vàng camm là NZ199, màu blue nhạt là XX048. Thanh sai số chỉ giá trị SD. *** khác biệt có ý nghĩa ở p < 0.001.

Tổng quan di truyền tính kháng sâu bệnh hại sắn

 Tổng quan di truyền tính kháng sâu bệnh hại sắn

Nguồn; Valentine Otang Ntui, Jaindra Nath Tripathi, Samwel Muiruri Kariuki, Leena Tripathi. 2024. Cassava molecular genetics and genomics for enhanced resistance to diseases and pests. Mol Plant Pathol.; 2024 Feb; 25(2):e13432. doi: 10.1111/mpp.13432.

 

Sắn (Manihot esculenta) là một trong những nguồn cho calories quan trọng tại nhiệt đới, đóng vai trò trung tâm trong an ninh lương thực và kinh tế của biết bao nông dân sản xuất nhỏ. Sản lượng sắn bị ức chế bới tấn công của sâu bệnh hại, phổ biết là bệnh CMD (cassava mosaic disease: khảm lá sắn) và bệnh CBSD (cassava brown streak disease: bệnh sọc nâu). Những bệnh này gây ra mất năng suất lớn, ảnh hưởng đến an ninh lương thực và an sinh của nông hộ nhỏ. Phát triển giống sắn kháng bệnh là cách rất tốt để gia tăng năng suất sắn. Mặc dù người ta ta đạt được một vài mức độ tính kháng bệnh như vậy, nhưng có hiện tượng tính kháng bị phá vỡ trong bệnh CMD. Việc đánh giá lại định kỳ về tính trạng kháng bệnh như vậy  rất cần thiết để chắc chắn rằng giống kháng còn khả năng chịu được áp lực tiến hóa của sâu bệnh hại sắn. Tiếp cận phương pháp chọn giống mới như genomic-assisted selection )chọn giống nhờ tiến bộ genomics) kết hợp với kỹ thuật công nghệ sinh học như kỹ thuật di truyền kinh điển hay chỉnh sử hệ gen (genome editing) có thể thúc đẩy được sự phát triển giống sắc kháng sâu bệnh hại. Bài tổng quan này tóm tắt những kết quả  phát triển gần đây và thảo luận khả năng ứng dụng di truyền phân tử và genomics để sản xuất giống sắn cao sản kháng được sâu bệnh hại.

 

Xem https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10788594/

 

Triệu chứng bệnh trên lá sắn: (a) cassava mosaic disease; (b) lá khỏe mạnh.

Chỉnh sửa promoter của gen MeSWEET10a cải tiến tính kháng bệnh “bacterial blight” giống sắn SC8

 Chỉnh sửa promoter của gen MeSWEET10a cải tiến tính kháng bệnh “bacterial blight” giống sắn SC8

Nguồn: Yajie Wang, Mengting Geng, Ranran Pan, Tong Zhang, Xiaohua Lu, Xinghou Zhen, Yannian Che, Ruimei Li, Jiao Liu, Yinhua Chen, Jianchun Guo, Yuan Yao. 2024. Editing of the MeSWEET10a promoter yields bacterial blight resistance in cassava cultivar SC8. Molecular Plant Pathology; 29 September 2024;

https://doi.org/10.1111/mpp.70010

 

Tinh bột củ khoai mì được dùng rất phổ biến làm nguyên liệu thô cho công nghiệp và cho thực phẩm nuôi sống con người. Tuy nhiên, vi khuẩn gây bệnh CBB (cassava bacterial blight) do Xanthomonas axonopodis pv. manihotis (Xam) gây ra làm mất năng suất củ sắn nghiêm trọng và hầu hết các vùng trồng sắn trên thế giới đều bị tàn phá bởi vi khuẩn này. Xam11 là loài phụ vi khuẩn gây bệnh có nguồn gốc từ Trung Quốc đang gây bệnh nặng nề cho phía Nam TQ trên giống South China No. 8 (SC8) với triệu chứng hết sức điển hình. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng transcription activator-like effector TALE20Xam11 của chủng nòi vi khuẩn Xam11 điều tiết sự biểu hiện gen nhiễm bệnh MeSWEET10a thông qua sự gắn kết tại vùng EBETALE20 của promoter gen  MeSWEET10a thuộc giống sắn SC8. Đột biến có chủ đích nhờ hệ thống CRISPR/Cas9 tại vùng EBETALE20 cho kết quả làm giảm đáng kể sự biểu hiện của gen MeSWEET10a sau khi cho lây nhiễm vi khuẩn Xam11, tương quan với kết quả giảm triệu chứng bệnh, kích thước vết bệnh nhỏ hơn và sự phát triển của vi khuẩn giảm đáng kể so với cây nguyên thủy (wild type). Quan trọng là, nhưng cây biến đổi gen ấy duy trì được tăng trưởng và phát triển bình thường, năng suất bình thường trong điều kiện thí nghiệm nhà kính. Kết quả đặt nền tảng cho nghiên cứu và cải tiến giống sắn kháng bệnh CBB.

 

Xem https://bsppjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/mpp.70010

 

Hình: Sờ đồ biểu diện dư lượng lập lại RVD (repeat variable diresidue) trong TALE20Xam11 ghi nhận EBEXam11 Trên promter của gen MeSWEET10a từ giống sắn South China No. 8. (a) Đầu C của TALE20Xam11 có hai vị trí của NLS (nuclear localization signals) và một ADD (acidic activation domain). TALE20Xam11 kích hoạt trực tiếp sự biểu hiện gen  MeSWEET10a thông qua EBE (effector-binding element). (b) SK: pGreen II62-SK vector (control vector); TALE20: pGreen II62-SK-TALE20Xam11 vector; pSWEET10a: pGreen II0800-pMeSWEET10a-LUC vector; pSWEET10a-EBE: pGreen II0800-pMeSWEET10a-EBETALE20-LUC vector (mất đoạn của EBETALE20 từ MeSWEET10a promoter). Số liệu biểu thị từ ba kết quả lập lại biological repeats (Student's t test, **p < 0.01).

Khai thác hiệu quả methyl hóa trong hệ gen sắn trong điều kiện thiếu nước tưới phục vụ cải tiến giống sắn

 Khai thác hiệu quả methyl hóa trong hệ gen sắn trong điều kiện thiếu nước tưới phục vụ cải tiến giống sắn

Nguồn: Jorge Luís Bandeira da Silva Filho, Rosa Karla Nogueira Pestana, Wilson José da Silva Júnior, Maurício Antônio Coelho Filho, Claudia Fortes Ferreira, Eder Jorge de Oliveira, Ederson Akio Kido. 2024. Exploiting DNA methylation in cassava under water deficit for crop improvement. PLoS One; 2024 Feb 22; 19(2):e0296254. doi: 10.1371/journal.pone.0296254.

 

DNA methylation (methyl hóa phân tử DNA) có vai trò then chốt trong phát triển thực vật và phản ứng cây khi bị stress sinh học và phi sinh học. Công trình khoa học này nhằm đánh giá mức độ DNA methylation khi so sánh các giống sắn chống chịu với khô hạn. Các giống BRS Formosa (sắn đắng) và BRS Dourada (sắn ngọt) được trồng trong nhà kính 50 ngày, sau đó, không tưới nước. Cây stressed (thiếu nước) và cây non-stressed (đối chứng) trong nghiệm thức xử lý bao gồm 5 cây/giống. Mẫu DNA của mỗi giống và trong từng nghiệm thức cho thấy có 12 MethylRAD-Seq libraries (hai giống sắn, hai nghiệm thức, ba lần nhắc lại).

 

Số liệu trình tự DNA cho thấy các vị trí bị methyl hóa phủ trên 18 - 21% của hệ gen cây  Manihot esculenta Crantz, tùy theo giống sắn và tùy theo nghiệm thức. Vị trí CCGG bị methyl hóa định vị trên bản đồ di truyền tại vùng có tính chất “intergenic”, vùng exons, và introns, trong khi đó, vị trí CCNGG định vị trên bản đồ di truyền hầu như ở vùng “intergenic”, vùng upstream, introns, và exons. Trong cả hai trường hợp, vị trí methyl hóa tại vùng UTRs ít thấy hơn. Các vị trí khác biệt chức năng có tính chất methyl hóa cho thấy phổ biểu hiện methyl hóa khác biệt nhau vì chỉ có 12% vị trí này (CCGG và CCNGG) được methyl hóa trong cả hai giống sắn. Các thuật ngữ bản thể gen rất phong phú nhấn mạnh phản ứng ngay lập tức trong giống sắn đắng khi bị stress, trong khi đó, giống sắn ngọt biểu thị sự chịu đựng tốt hơn khi bị tổn thương. Tương tác protein-protein được dự đoán củng cố phổ biểu hiện như nói trên. Như vậy, các genomes của giống sắn BRS chưa được khám phá SNPs/INDELs bao gồm các gen nổi bật nhờ interactomes. Số liệu này có thể hữu ích trong việc giải mã vai trò bí ẩn của DNA methylation trong hệ gen cây sắn khi phản ứng chịu khô hạn và thích ứng với stress phi sinh học

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38386677/

Tối ưu hóa kỹ thuật ghép cây sắn (Manihot esculenta Crantz) tăng cường tính thích nghi với kỹ thuật canh tác

 Tối ưu hóa kỹ thuật ghép cây sắn (Manihot esculenta Crantz) tăng cường tính thích nghi với kỹ thuật canh tác

Nguồn: Frank Opoku-Agyemang, Jacqueline Naalamle Amissah, Stella Owusu-Nketia, Peter Amoako Ofori, Michitaka Notaguchi. 2024. Optimization of cassava (Manihot esculenta Crantz) grafting technique to enhance its adoption in cassava cultivation. MethodsX; 2024 Aug 19: 13:102904. doi: 10.1016/j.mex.2024.102904. 

 

Kỹ thuật ghép vô tính (grafting techniques) đã và đang được áp dụng thành công để cải tiến tính kháng với stress sinh học hoặc phi sinh học, làm tăng năng suất, phẩm chất củ sắn và nghiên cứu  sự truyền tín hiệu có hệ thống trong thực vật. Kỹ thuật không những phổ biến trong cây sắn mà còn được chuẩn hóa phương pháp cho loài cây cây trồng này đặc biệt ở châu Phi.

 

Đây là báo cáo đầu tiên về ghép vô tính cây sắn tại châu Phi với những thuận lợi đáng giá, gồm có việc sử dụng một buồng ghép bằng gỗ thân thiện với môi trường, vô cùng hiệu quả. Theo đó, người ta phác thảo một quy trình ghép hở tối ưu đối với cây sắn; thông qua “wooden healing chamber” (buồng ghép bằng gỗ) và quy trình theo từng bước, với điều kiện tối hảo để tạo ra sự thành công rất cao trong ghép vô tính. Sử dụng kỹ thuật ghép nêm trên đỉnh (top wedge grafting) với khả năng tái sản xuất giống cây cao, tỷ lệ thành công lớn, người ta đã phát triển được một quy trình ghép rất đơn giản và mạnh mẽ trong lĩnh vực nhân giống sắn (M. esculenta). Thành công trong “grafting” được báo cáo và quy trình này đã nhân ra được kết quả thành công đến 90 %; khả năng tái tạo rất cao của nó làm tiền đề “mass production” (sản xuất đại trà), nhờ vậy, giải quyết được nhu cầu nhân giống cây sắn hiệu quả. Quy trình này cần rất ít côn cụ đặc biệt và giúp nông dân dễ dàng tiếp cận chuyên môn; nhà nghiên cứu không cần nguồn chi phí đầu tư lớn để phát triển việc sử dụng “grafting” phục vụ tăng diện tích trồng sắn, cải tiến năng suất và thực hiện những nghiên cứu chuyên sâu về tín hiệu theo khoảng cách xa có tinh hệ thống của thực vật. Tối ưu hóa phương pháp ghép hở (cleft grafting) thu được tỷ lệ thành công trong ghép cây rất lớn. Một “wooden healing chamber” (phòng chữa thương bằng gỗ) kiểm soát được điều kiện ngoại cảnh tối hảo đối với “graft healing” (thương tổn khi ghép). Mở rộng kỹ thuật ghép sắn như vậy; người ta ưu tiên sản xuất giống sắn mới và khia thác được thành tựu khoa học chọn giống.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39258290/

Phân tích chức năng và phổ biểu hiện của gen MebHLH149 phản ứng với sự xâm nhiễm bệnh “Cassava Bacterial Blight” của cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

 Phân tích chức năng và phổ biểu hiện của gen MebHLH149 phản ứng với sự xâm nhiễm bệnh “Cassava Bacterial Blight” của cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Min Cui, Feifei An, Songbi Chen, Xindao Qin. 2024. Expression Pattern and Functional Analysis of MebHLH149 Gene in Response to Cassava Bacterial Blight. Plants (Basel); 2024 Aug 30; 13(17):2422. doi: 10.3390/plants13172422.

 

Sự suy giảm đáng kể năng suất củ sắn (Manihot esculenta Crantz) do bệnh CBB (cassava bacterial blight) là vấn đề cấp bách cần được quan tâm. Kết quả nghiên cứu tập trung vào yếu tố phiên mã TF có tên MebHLH149, rất tích cực khi có bệnh CBB xâm nhiễm và biểu hiện ở mức độ cao, cho thấy trong dữ liệu transcriptome. Khai thác của chúng tôi bao gồm chủng nòi vi khuẩn CHN01 Xanthomonas phaseoli pv. manihotis  (Xpm CHN01) và stres của hormone, cho thấy gen MebHLH149 tương tác với pathogen này và giai đoạn xâm nhiễm đầu tiên. Hơn nữa, gen MebHLH149 được tìm thấy phản ứng với abscisic acid (ABA), methyl jasmonate (MeJA), và salicylic acid (SA), biểu hiện vai trò tiềm năng trong sự truyền tín hiệu bởi hormones thực vật. Phân tích định vị của các protein trong tế bào cho thấy MebHLH149 ưu tiên có trong nhân. Thông qua xét nghiệm VIGS (virus-induced gene silencing) trong cây sắn, những cây bị câm gen MebHLH149 đều có kết quả nhiễm bệnh nặng hơn, tích tụ ROS ít hơn, diện tích đốm lá sắn to hơn đáng kể so với đối chứng. Proteins MePRE5 và MePRE6, được dự đoán có tương tác với MebHLH149, đã được minh chứng rằng điều tiết theo kiểu “down” khi phản ứng với nghiệm thức câm gen và “up” với nghiệm thực biểu hiện mạnh mẽ gen đích MebHLH149. Đây là tương tác tiềm năng giữa MebHLH149 và protein nói trên. Cả hai gen MePRE5 và MePRE6 đều có mặt trong phản ứng miễn dịch đầu tiên với bệnh CBB. Chú ý, MebHLH149 được xác định là một protein tương tác với MePRE5 và MePRE6. Theo đó, người ta giả thuyết rằng gen MebHLH149 có chức năng là một regulator tích cực trong cơ chế bảo vệ cây sắn chống lại bệnh CBB.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39273906/

Phân lập toàn hệ gen và khai thác cơ sở dữ liệu liên quan đến MLP (major-latex protein) từ họ protein PR-10 với chức năng bảo vệ cây kháng lại “phytopathogen” trong cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

 Phân lập toàn hệ gen và khai thác cơ sở dữ liệu liên quan đến MLP (major-latex protein) từ họ protein PR-10 với chức năng bảo vệ cây kháng lại “phytopathogen” trong cây sắn (Manihot esculenta Crantz)

Nguồn: Unchera Viboonjun, Rawit Longsaward. 2024. Genome-wide identification and data mining reveals major-latex protein (MLP) from the PR-10 protein family played defense-related roles against phytopathogenic challenges in cassava (Manihot esculenta Crantz). Genetica; 2024 Aug 31. doi: 10.1007/s10709-024-00211-6. Online ahead of print

Dù đã được xác định từ nhiều công trình trước đây, nhưng protein PR-10 vẫn còn bị bỏ qua một cách tương đối, vẫn chưa được mô tả đầy đủ ở nhiều loài cây trồng. Nghiên cứu này khai thác một cơ sở dữ liệu đầy đủ, tiếp cận với phương pháp khai thác số liệu in silico định tính họ protein PR-10 trong cây sắn - loài cây trồng mang sự sống cho nhiều người trên thế giới. Người ta tập trung vào việc xác định in silico 53 protein PR-10 của sắn, chúng có thể được thành hai nhóm phụ (subgroups): 34 thuộc major latex proteins (MLPs) và 13 thuộc major allergen proteins, Pru ar 1, trên cơ sở tương quan di truyền huyết thống của chúng. Phân tích “collinearity” (tương đồng) hệ gen sắn với hệ gen cây cao su cho thấy có môi tương quan đồng dạng về tiến hóa  của gen PR-10 giữa hai loài Euphorbiaceae này, đặc biệt là nhiễm sắc thể 15. Chú ý, MLP423 và những protein MLP được xác định theo dữ liệu khác nhau của transcriptome hệ gen cây sắn khi phản ứng với stress sinh học đối với nhiều nguồn sinh vật gây bệnh khác nhau, bao gồm nấm gây anthracnose, viruses, và bacterial blight. Dự đoán phân tử “ligand” (tín hiệu vi sinh xâm nhiễm) và sự lắp ghép phân tử của 3 protein MLP423 cho thấy tính tương tác đầy tiềm năng giữa cytokinin và abscisic acid. Sự biểu hiện của chúng và mối quan hệ ràng buộc theo dự đoán được người ta thảo luận. Kết quả phác họa được vai trò của chúng như những contributors trong hệ thống bảo vệ cây sắn đối với bệnh hại chính.

 

See https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39215788/